磁场对量子材料中电子的运动有很大影响。在强磁场作用下，二维电子系统将表现出量子化的霍尔导电性、手性边缘电流以及被称为磁等离子体和磁激子的特殊集体模式。然而迄今为止，在电荷中性样品中产生这些传播的集体模式并在其固有的纳米尺度范围对其进行成像和表征在实验上一直颇具挑战。
石墨烯中狄拉克磁激子的研究
美国纽约州立石溪大学(Stony-Brook University) Mengkun Liu研究团队，利用基于超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool自主搭建的低温磁场扫描近场光学显微镜，在纳米尺度上观测到了传播的磁激子极化激元，并报道了在近电荷中性石墨烯中的磁场可调色散。对这些集体模式及其相关的纳米电光响应进行成像，使研究者能够识别样品边缘的极化激元调制光学和光热效应。这项研究为了解石墨烯在不同磁场下的行为提供了重要见解和证据。研究团队表示，他们的发现有望推动石墨烯在光学和光电领域的应用，同时也为研究人员提供了更深入了解这种材料的机会。该项研究以Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene为题发表于顶级学术期刊nature nanotechnology。
图1: 200K温度时，六方氮化硼hBN封装石墨烯样品的磁场相关扫描近场光学显微镜m-SNOM和近场光电流、狄拉克磁激子DiME测量
图2:在近电荷中性石墨烯中，在场调谐0→1朗道能级Landau levels跃迁区域的纳米红外图像。
低温强磁场近场光学显微镜技术
该项研究得益于低温近场光学显微镜技术的创新。其中，超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool使该技术突破性的实现在高达7T的磁场下对二维材料的近场响应进行纳米成像。这种方法使研究者能够通过利用高磁场来探索和操纵低载流子掺杂的样品中的磁极化子。OptiCool可以提供1.7K的低温环境，振动稳定性更是低于10 nm。系统采用创新的双锥形劈裂磁体，具有7T强磁场和超大的均匀区。样品腔具有8个光学窗口，其中顶部光学窗口具有低至3 mm的近工作距离。该低温设备推出以来促进了多项光学探测技术实现了低温强磁场维度的拓展。这次低温强磁场扫描近场光学显微镜的实现使得低温强磁场光学测量手段更加丰富，对量子材料的研究更加深入。
图3:作者公布的强磁场低温近场光学显微镜装置示意图
强磁场低温光学研究平台-OptiCool 的其他整体话解决方案
除本次报到的低温强磁场近场光学显微镜技术外，基于OptiCool系统已经实现的低温强磁场光学测量有：低温强磁场下的Pump-porbe测量、低温强磁场MOKE、低温强磁场拉曼&荧光、低温强磁场SHG。除了提供标准的强磁场低温光学系统，Quantum Design中国子公司与合作的技术团队可以为中国用户提供整体化解决方案。目前已经可以提供的解决方案包括低温强磁场MOKE、拉曼&荧光、二次谐波，并且可以实现多种方案光路的自动化切换。
图4:超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
参考文献：
[1]. Dapolito, M., Tsuneto, M., Zheng, W. et al. Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene. Nat. Nanotechnol.(2023).
原文链接https://doi.org/10.1038/s41565-023-01488-y
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