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

期刊：Nature Physics

文章鏈接：https://www.nature。。ｃｏｍ/articles/s41567-024-02434-y

研究動(dòng)態(tài)

電子的動(dòng)能在磁性中起著關(guān)鍵的作用。虛擬電子跳變促進(jìn)了絕緣體中的反鐵磁性，而真正的跳變過程通常有利于鐵磁性。然而，在動(dòng)力學(xué)受挫系統(tǒng)中，如空穴摻雜三角晶格莫特絕緣子，真正的跳變反而被證明有利于反鐵磁性。動(dòng)力學(xué)挫折也被預(yù)測(cè)會(huì)誘發(fā)一種新的準(zhǔn)粒子，一種摻雜空穴的束縛態(tài)的狀態(tài)被稱為自旋極化子，是一種不尋常的金屬態(tài)。針對(duì)此問題，美康奈爾大學(xué)的Kin Fai Mak教授團(tuán)隊(duì)利用低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100報(bào)道了三角形晶格MoTe₂/WSe₂雙層中自旋極化子的直接觀測(cè)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以《Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system》為題，在國(guó)際SCI期刊《Nature Physics》上發(fā)表。

文中使用的低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100（圖1）是由德國(guó)attocube公司研發(fā)的一款干式閉循環(huán)低溫強(qiáng)磁場(chǎng)恒溫器。系統(tǒng)可提供1.8K到室溫的變溫環(huán)境，具有極低的震動(dòng)噪音，已在國(guó)內(nèi)外課題組廣泛應(yīng)用于量子通信、量子點(diǎn)發(fā)光、半導(dǎo)體材料、二維材料等研究領(lǐng)域。針對(duì)典型實(shí)驗(yàn)需求，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了幾種標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡方案方便用戶進(jìn)行拉曼、熒光等常見的測(cè)量手段對(duì)材料進(jìn)行光-電-磁物理性質(zhì)的變溫與變磁場(chǎng)環(huán)境測(cè)量。

圖1. 低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100- 可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)等配置。

研究進(jìn)展

該課題組選擇AB堆疊的MoTe₂/WSe₂雙層材料，其中摩爾周期約為5 nm（見圖2）。科學(xué)家使用雙門控器件結(jié)構(gòu)（如圖2c所示）來控制載流子密度ν和跨莫爾雙分子層的垂直電場(chǎng)E，E > 0可以打開半導(dǎo)體-金屬觸點(diǎn)。早期的研究表明，只要低于0.6Vnm^?1，兩層的最高摩爾價(jià)帶就能很好地分離，實(shí)現(xiàn)單帶哈伯德模型圖。實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注了E=0.5Vnm^?1，在這個(gè)區(qū)域的其他電場(chǎng)中也觀察到類似的結(jié)果。圖2d，e分別顯示了莫爾雙分子層的反射率對(duì)比度（RC）和MCD光譜的填充依賴關(guān)系。在1.1-1.2eV的能量范圍內(nèi)，可以識(shí)別出MoTe₂中層內(nèi)摩爾激子對(duì)應(yīng)的三個(gè)共振。

圖2：實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建。a在自旋極化背景下（藍(lán)色點(diǎn)表示自旋排列）的空穴（白點(diǎn)）的動(dòng)力學(xué)挫折。b自旋極化子的傳播（摻雜空穴的束縛態(tài)和自旋的翻轉(zhuǎn)，用虛線橢圓表示）沒有被阻止。c為帶有石墨/h-BN柵的雙門控ab堆疊MoTe₂/WSe₂雙層示意圖。d，e為磁場(chǎng)為0.6 T時(shí)的光學(xué)反射率對(duì)比RC (d)和磁圓二色MCD (e)隨著填充因子ν變化的光譜數(shù)據(jù)。

圖3a顯示了在1.6 K下，具有代表性填充因子的樣品MCD信號(hào)的磁場(chǎng)依賴性結(jié)果。電子摻雜的莫特絕緣子（ν = 1.1）的行為類似于莫特絕緣子（ν = 1），MCD隨場(chǎng)的增加而不斷增加，直到在2T左右達(dá)到飽和。相比之下，對(duì)于空穴摻雜（ν < 1），MCD在2-4T的中間場(chǎng)中出現(xiàn)平臺(tái)，然后達(dá)到飽和。圖3b中MCD的數(shù)值場(chǎng)導(dǎo)數(shù)更好地說明了這一點(diǎn)。當(dāng)ν接近1時(shí)，平臺(tái)MCD越來越接近飽和的MCD，不再是可識(shí)別的。在較低的填充因子（ν = 0.74）下，中間平臺(tái)被抹去，導(dǎo)致MCD持續(xù)增加，直到4T左右達(dá)到飽和。

圖3：中間磁化平臺(tái)。a，b: 樣品MCD與MCD倒數(shù)信號(hào)在有代表性的填充因素下的磁場(chǎng)依賴性。在2T和4T之間，填充因子在0.8和1之間觀察到中間MCD平臺(tái)。ν=的0.91和0.89為兩個(gè)例子。中間的MCD平臺(tái)在MCD導(dǎo)數(shù)中表現(xiàn)為一個(gè)局部最小值。虛線表示平臺(tái)的兩端，飽和場(chǎng)B_s和超磁過渡場(chǎng)B_m 。

該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低溫下2到4T的場(chǎng)中存在一個(gè)磁化平臺(tái)，空穴摻雜到x≈0.2。這里觀察到的平臺(tái)與磁絕緣體中玻色子粒子結(jié)晶引起的平臺(tái)不同，其中磁化平臺(tái)只能取飽和磁化強(qiáng)度的相應(yīng)分?jǐn)?shù)值。這里，我們考慮帶有流動(dòng)載流子的摻雜莫特絕緣子；磁化平臺(tái)只依賴于摻雜密度，可以取飽和磁化的任何連續(xù)分?jǐn)?shù)。以上觀測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)的自旋極化子相一致，它由一個(gè)孔與一個(gè)自旋翻轉(zhuǎn)結(jié)合，具有相同的空穴和自旋翻轉(zhuǎn)密度。

圖4 動(dòng)力學(xué)磁性和動(dòng)力學(xué)挫折。a， b，ν=0.91(a)和ν = 1.00的MCD的磁場(chǎng)依賴性。c，在兩個(gè)具有代表性的填充因子下的溫度依賴性，反MCD的斜率遵循居里-韋斯定律，χ?1∝T?θ（實(shí)線），其中θ是提取的居里-韋斯溫度。d，填充因子依賴的θ。

該團(tuán)隊(duì)所有的光學(xué)測(cè)量均使用低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100。通過將樣品的反射光譜與在重?fù)诫s器件上測(cè)量的參考光譜進(jìn)行比較，得到了反射對(duì)比譜。MCD光譜定義為（R⁺?R^-）/（R⁺+R^?），其中R⁺和R^?表示左右圓偏振光的反射強(qiáng)度。文章中的研究結(jié)果將使探索自旋極化子贗隙金屬、自旋極化子配對(duì)和三角形晶格莫爾材料中的其他新現(xiàn)象成為可能。

attocube低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器

低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100 已經(jīng)在北京大學(xué)，半導(dǎo)體所，清華大學(xué)，南京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等單位順利運(yùn)行，持續(xù)助力各個(gè)課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼顯微鏡，該系統(tǒng)集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)常見二維材料，量子點(diǎn)，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學(xué)性質(zhì)測(cè)量。今年三月份，德國(guó)attocube公司推出了用于超靈敏SPM測(cè)量的全新超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200。該系統(tǒng)已經(jīng)在英國(guó)，德國(guó)，中國(guó)等國(guó)家進(jìn)行安裝與運(yùn)行，助力全球用戶進(jìn)行NV色心成像研究。

圖5：常見配置-低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼顯微鏡。

attoDRY2100主要技術(shù)特點(diǎn)：

? 超低振動(dòng)、基于脈沖管的閉環(huán)低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應(yīng)用而設(shè)計(jì)

? 磁場(chǎng)范圍：0~9T ( 可選12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體等)

? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

? 通過 eNSPIRE 電子設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)繪圖，多功能接口

? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

? 商業(yè)化探針

? 可集成升級(jí) MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

? 全新升級(jí)款：用于超靈敏SPM測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

圖6：用于超靈敏 SPM 測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100 部分發(fā)表文獻(xiàn)：

• 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 2024

• Kin 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, 2024

• Yang 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)

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