美康奈尔大学Nature Physics！自旋极化子首次直接观测

文章名称：Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system

期刊：Nature Physics

电子的动能在磁性中起着关键的作用。虚拟电子跳变促进了绝缘体中的反铁磁性，而真正的跳变过程通常有利于铁磁性。然而，在动力学受挫系统中，如空穴掺杂三角晶格莫特绝缘子，真正的跳变反而被证明有利于反铁磁性。动力学挫折也被预测会诱发一种新的准粒子，一种掺杂空穴的束缚态的状态被称为自旋极化子，是一种不寻常的金属态。针对此问题，美康奈尔大学的Kin Fai Mak教授团队报道了三角形晶格MoTe₂/WSe₂双层中自旋极化子的直接观测。相关研究内容以《Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system》为题，在国际SCI期刊《Nature Physics》上发表。

文中使用的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100（图1）是由德国attocube公司研发的一款干式闭循环低温强磁场恒温器。系统可提供1.8K到室温的变温环境，具有极低的震动噪音，已在国内外课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。针对典型实验需求，该产品设计了几种标准显微镜方案方便用户进行拉曼、荧光等常见的测量手段对材料进行光-电-磁物理性质的变温与变磁场环境测量。

图1. 低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100，可以选配低温拉曼显微镜，低温AFM，低温双轴旋转台等配置。

该课题组选择AB堆叠的MoTe2/WSe2双层材料，其中摩尔周期约为5 nm（见图2）。科学家使用双门控器件结构（如图2c所示）来控制载流子密度ν和跨莫尔双分子层的垂直电场E，E > 0可以打开半导体-金属触点。早期的研究表明，只要低于0.6Vnm−1，两层的最高摩尔价带就能很好地分离，实现单带哈伯德模型图。实验中重点关注了E=0.5Vnm−1，在这个区域的其他电场中也观察到类似的结果。图2d，e分别显示了莫尔双分子层的反射率对比度（RC）和MCD光谱的填充依赖关系。在1.1-1.2eV的能量范围内，可以识别出MoTe₂中层内摩尔激子对应的三个共振。

图2：实验体系构建。a在完全自旋极化背景下（蓝色点表示自旋排列）的空穴（白点）的动力学挫折。b自旋极化子的传播（掺杂空穴的束缚态和自旋的翻转，用虚线椭圆表示）没有被阻止。c为带有石墨/h-BN栅的双门控ab堆叠MoTe2/WSe2双层示意图。d，e为磁场为0.6 T时的光学反射率对比RC (d)和磁圆二色MCD (e)随着填充因子ν变化的光谱数据。

图3a显示了在1.6 K下，具有代表性填充因子的样品MCD信号的磁场依赖性结果。电子掺杂的莫特绝缘子（ν = 1.1）的行为类似于莫特绝缘子（ν = 1），MCD随场的增加而不断增加，直到在2T左右达到完全饱和。相比之下，对于空穴掺杂（ν

图3：中间磁化平台。a，b: 样品MCD与MCD倒数信号在有代表性的填充因素下的磁场依赖性。在2T和4T之间，填充因子在0.8和1之间观察到中间MCD平台。ν=的0.91和0.89为两个例子。中间的MCD平台在MCD导数中表现为一个局部最小值。虚线表示平台的两端，饱和场Bs和超磁过渡场Bm 。

该实验发现在低温下2到4T的场中存在一个磁化平台，空穴掺杂到x≈0.2。这里观察到的平台与磁绝缘体中玻色子粒子结晶引起的平台不同，其中磁化平台只能取饱和磁化强度的相应分数值。这里，我们考虑带有流动载流子的掺杂莫特绝缘子；磁化平台只依赖于掺杂密度，可以取饱和磁化的任何连续分数。以上观测结果与预测的自旋极化子相完全一致，它由一个孔与一个自旋翻转完全结合，具有相同的空穴和自旋翻转密度。

图4 动力学磁性和动力学挫折。a， b，ν=0.91(a)和ν = 1.00的MCD的磁场依赖性。c，在两个具有代表性的填充因子下的温度依赖性，反MCD的斜率遵循居里-韦斯定律，χ−1∝T−θ（实线），其中θ是提取的居里-韦斯温度。d，填充因子依赖的θ。

该团队所有的光学测量均使用低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100。通过将样品的反射光谱与在重掺杂器件上测量的参考光谱进行比较，得到了反射对比谱。MCD光谱定义为（R+−R-）/（R++R−），其中R+和R−表示左右圆偏振光的反射强度。文章中的研究结果将使探索自旋极化子赝隙金属、自旋极化子配对和三角形晶格莫尔材料中的其他新现象成为可能。

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 已经在北京大学，半导体所，清华大学，南京大学，复旦大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温强磁场拉曼显微镜，该系统集成成熟拉曼显微镜，配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台，可以实现对常见二维材料，量子点，纳米线等微纳尺度材料的低温拉曼，荧光光谱，光电流等光电磁学性质测量。今年三月份，德国attocube公司推出了用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。该系统已经在英国，德国，中国等国家进行安装与运行，助力全球用户进行NV色心成像研究。

图5：常见配置-低温强磁场拉曼显微镜。

☛ 磁场范围：0~9T ( 可选12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体等)

☛ 宽温度范围：1.8 K~300 K

☛ 通过 eNSPIRE 电子设备进行自动化控制，实时绘图，多功能接口

☛ 可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM

☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3

☛ 商业化探针

☛ 可集成升级 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

图6：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 部分发表文献：

Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics 20, 783–787 (2024)Kin Fai Mak, et al. Optical readout of the chemical potential of two-dimensional electrons. Nature Photonics 18, 344–349 (2024)Kin Fai Mak, et al. Valley-Coherent Quantum Anomalous Hall State in AB-Stacked MoTe2/WSe2 Bilayers. Phys. Rev. X 14, 011004 2024Kin Fai Mak, et al. Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice. Nature Physics 20, 275–280 (2024)Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV3Sb5. Phys. Rev. Lett. 132, 066501, 2024Yang XU, et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science 380, 1367–1372 (2023).Yu YE, et al. Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime. Nature Communications 14: 5966 (2023)Xiaodong XU, et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2, Nature 622, 63–68 (2023)Xiaodong XU, et al. Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry, Science 381, 325–330 (2023)Xiaodong XU, et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect, Nature 622, 74-79 (2023)

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：

关键词： physics 康奈尔大学 自旋