磁性样品中磁光克尔效应检测方案(低温恒温器)

智能文字提取功能测试中

高性能低温恒温器在自旋电子学方面的应用一磁光克尔效应 背景介绍 磁光克尔效应 (MOKE) 与法拉第效应描述了入射光被磁性材料反射(透射)时引起的偏振变化。这些效应可以用来调节光的振幅，这是光隔离器和光循环器的基础。而光隔离器和光循环器是光通讯网络和各种激光应用的重要组成部分。MOKE 已被广泛应用于磁存储介质(更盘)的逻辑状态读出装置。在新的磁随机存储技术 MRAM 中 MOKE 也可能实现逻辑状态的实时读出。 科研中 MOKE 最常用来表征材料的电子和磁学特征，例如磁畴结构、自旋态密度、磁相变动力学。在高质量纳米结构和2D 材料中最新的实验进展表明，有望在集成的光子或自旋电子器件中利用磁光效应在纳米尺度上加强对光的控制。 Montana Instruments 已经针对磁光和自旋电子学研究领域的需求开发除了高性能的光学恒温器。该系统可以为磁光测量提供交钥匙方案是您可以快速开展实验研究。下面我们将为您介绍磁光实验研究中应注意的一些方面，以及Montana Instruments 在这些方面取得的一些进展。 实验研究 实验要点 磁光克尔效应的信号通常较弱。因此，需要较大的入射激光功率来产生足够的探测信号。 高功率入射激光可能局部加热样品或器件。 磁性相变温度和一些有趣的磁现象经常发生在低温下。例如高温超导体中的磁涡旋和螺旋磁性材料中的 skyrmion 相等磁性结构的形成。 热和机械激发将会缩短自旋态寿命，并在 MOKE 信号中产生额外的噪声。因此，需要一个超稳定的低温环境来研究新奇的磁学现象。 针对磁光克尔效效(MOKE) 实验的优化 MOKE 实验需要灵活的光路与电学通道以及磁场环境。样品需要一个超稳定的低温环境并且能够调整配置以适应实验需求的多种几何光路。 关键要点 重要性 Cryostation 在这方面的优化 磁场 用来磁化样品以及扫场观察 样品磁性的变化。 Cryostation 结合 Magneto-Optic 模 块的可提供纵向与极向 MOKE。双极性电源可平滑扫场过零点。针对用户 需求可以提供第三方磁体集成方案。 低温(4K) 低温减少对自旋态的扰动， 挺高信噪比，允许更高的入 射激光功率。 Cryostation可提供4K低温。智能软件提供全自动控温。 低震动 低震动可以降低 MOKE信号 的噪音，提高信号的收集效率。 超低震动(<5nm)设计可以为实验提 供超稳定的低温环境，提高 MOKE 微区测量时的分辨率。300K-4K 极小的 位置热漂移，允许在变温过程中对单 个磁畴或特定区域进行跟踪研究。 光学引入 样品需要灵活的光路以及与 磁场的相对方向来满足自旋研究的需要。 Cryostation 提供多角度的光学通道，可提供近工作距离。可以调整样品相 对磁场的方向。窗口玻璃已做减少法拉第效应的优化。 电学引入 可对样品进行磁性电输运研 究以及其他自旋与电输运相关的研究。 Cryostation 可提供 DC 与同轴线满足 各种电学需求。优化的低漏热方案确保系统的低温性能。 操控性 精准的温度扫描、磁场扫描 是获得样品磁性相图以及自 旋研究的必要功能。 全干式系统，是系统可以长时间不间 断工作，智能软件可以实现温度和磁 场的灵活控制和扫描。 相关实验技术与配置 Cryostation 基础系统与成熟的选件库可为 MOKE 提供多种解决方案。通过不同的搭配组合我们可以轻松实现以下方面的研究。 磁光克尔效应、光磁测量、光致发光、偏振分辨测量、自旋输运与动力学、磁畴壁移动、磁阻研究、电学和高频测量、输运研究 低温磁光克尔效应实验举例 纵向磁光克尔效应 在纵向 MOKE 的几何光路中，磁场与样品表面平行，样品中的磁畴平行于磁场方向。激光光源通过偏振器实现设定的偏振。光线通过物镜聚焦在样品感兴趣的区域上。入射光线与样品的磁畴发生相互作用使得反射光线偏振方向改变。偏振方向改变的幅度与局部磁化的强度成比例。通过仪器接收并分析反射光线的克尔转角就可以得到局部磁矩的方向和强度信息。这种测量方案所需的样品环境可以在集成了双极性电磁铁的低温恒温器中来实现，例如Cryostation 与 Magneto-Optic。 利用纵向克尔效应的宏观磁畴图像测量方案 极向磁光克尔效应 在极向克尔几何光路中，磁场沿样品表面的发现方向(适用于面外易磁化轴样品)。此时磁化方向垂直于样品表面，为了最大化的收集信号，入射激光需要垂直照射在样品表面。与纵 向克尔类似，入射激光的偏振方向在被磁性样品表面反射时会发生轻微的偏转。偏转的程度与局部磁畴的强度和方向有关。在 Cryostation 与 Magneto-Optic 装置中，与纵向克尔相比，样品旋转了90°，并且在磁极中间引入了一个小的反射镜来实现入射光线与磁场的平行以及与样品表面的垂直。 极向MOKE 宏观磁畴测量方案 时间分辨MOKE 可以用时间分辨(瞬态)的 MOKE 对脉冲磁场和脉冲电场驱动的磁畴壁移动进行动力学研究。举例来说，可以对用于磁带存储器研究的磁性纳米线中的磁畴壁移动进行测量。磁畴壁通常在预定的位置有电脉冲或磁脉冲注入纳米线。利用MOKE 信号对纳米线的局部进行探测，空间分辨率可优于1um， 时间分辨率可达到150fs。如果 t=0时刻对应于畴壁注入，对指定区域沿纳米线进行延时脉冲扫描观察 MOKE 信号的变化。 MOKE 信号的变化对应磁畴壁移动所引起的磁性翻转。通过测量纳米线不同位置 MOKE 信号的变化时间可以计算出畴壁的移动速度。 时间分辨 MOKE 也可以用于研究自旋"群体”的寿命。利用极化的泵浦光对感兴趣的材料进行 自旋激发。利用探测光进行延时扫描，MOKE 信号的强弱可以计算自旋“群体”密度。自旋的“寿命"可以通过观测自旋“群体”的密度来计算。Kawakami 课题组 (Ohio State University) 利用该方法对过渡族金属二硫化物 WS2 在低温(<6K)下进行了时间分辨克尔转角测量(TRKR)。对比 TRKR信号与显微荧光，研究者发现强激子发光与高自旋密度之间的一种意料之外的反相关关系。这一发现为短时激子自旋角动量到长时导电电子自旋态转化提供了新的见解。 时间分辨克尔效应的原理与装置图 强磁场i(>1T) MOKE 华盛顿大学的 Xu 和 Cobden 利用7T的超导磁体与低温设备，采用法拉第几何光路测量磁 场对光致发光极化的影响对单层 WSe2 进行了研究。更多信息请阅读 Ma. gMangneetic Control ofValley Pseudospin： A Story of Symmetry REFERENCES 1. Durham Magneto Optics Ltd &Beguivin， A. Characterization of the MontanaInstruments Cryostation C2 for low temperature Magneto-Optical Kerr Effect measurementsusing the NanoMOKE 3. 2.Bushong， E. J. et al. Imaging Spin Dynamics in Monolayer WS2 by Time-Resolved KerrRotation Microscopy. arXiv：1602.03568 [cond-mat](2016). 3. Aivazian， G. et al. Magnetic Control of Valley Pseudospin in Monolayer WSe2. NaturePhysics 11， 148-152(2015). 4. Henn， T. et al. Ultrafast supercontinuum fiber-laser based pump-probe scanning MOKEmicroscope for the investigation of electron spin dynamics in semiconductors at cryogenictemperatures with picosecond time and micrometer spatial resolution. Review of ScientificInstruments 84， 123903(2013). 超精细多功能无液氦低温光学恒温器： 科研中MOKE最常用来表征材料的电子和磁学特征，例如磁畴结构、自旋态密度、磁相变动力学。在高质量纳米结构和2D材料中最新的实验进展表明，有望在集成的光子或自旋电子器件中利用磁光效应在纳米尺度上加强对光的控制。MOKE实验需要灵活的光路与电学通道以及磁场环境。样品需要一个超稳定的低温环境并且能够调整配置以适应实验需求的多种几何光路。Cryostation基础系统与成熟的选件库可为MOKE提供多种解决方案。通过不同的搭配组合我们可以轻松实现磁光克尔效应、光磁测量、光致发光、偏振分辨测量、自旋输运与动力学、磁畴壁移动、磁阻研究、电学和高频测量、输运性质等方面的研究。以下是部分低温磁光克尔效应实验举例：1. 纵向磁光克尔效应在纵向MOKE的几何光路中，磁场与样品表面平行，样品中的磁畴平行于磁场方向。激光光源通过偏振器实现设定的偏振。光线通过物镜聚焦在样品感兴趣的区域上。入射光线与样品的磁畴发生相互作用使得反射光线偏振方向改变。偏振方向改变的幅度与局部磁化的强度成比例。通过仪器接收并分析反射光线的克尔转角就可以得到局部磁矩的方向和强度信息。这种测量方案所需的样品环境可以在集成了双极性电磁铁的低温恒温器中来实现，例如Cryostation与Magneto-Optic。利用纵向克尔效应的宏观磁畴图像测量方案 2. 极向磁光克尔效应在极向克尔几何光路中，磁场沿样品表面的发现方向（适用于面外易磁化轴样品）。此时磁化方向垂直于样品表面，为了最大化的收集信号，入射激光需要垂直照射在样品表面。与纵向克尔类似，入射激光的偏振方向在被磁性样品表面反射时会发生轻微的偏转。偏转的程度与局部磁畴的强度和方向有关。在Cryostation与Magneto-Optic装置中，与纵向克尔相比，样品旋转了90°，并且在磁极中间引入了一个小的反射镜来实现入射光线与磁场的平行以及与样品表面的垂直。极向MOKE宏观磁畴测量方案3. 时间分辨MOKE可以用时间分辨（瞬态）的MOKE对脉冲磁场和脉冲电场驱动的磁畴壁移动进行动力学研究。举例来说，可以对用于磁带存储器研究的磁性纳米线中的磁畴壁移动进行测量。磁畴壁通常在预定的位置有电脉冲或磁脉冲注入纳米线。利用MOKE信号对纳米线的局部进行探测，空间分辨率可优于1um，时间分辨率可达到150fs。如果t=0时刻对应于畴壁注入，对指定区域沿纳米线进行延时脉冲扫描观察MOKE信号的变化。MOKE信号的变化对应磁畴壁移动所引起的磁性翻转。通过测量纳米线不同位置MOKE信号的变化时间可以计算出畴壁的移动速度。时间分辨MOKE也可以用于研究自旋“群体”的寿命。利用极化的泵浦光对感兴趣的材料进行自旋激发。利用探测光进行延时扫描，MOKE信号的强弱可以计算自旋“群体”密度。自旋的“寿命”可以通过观测自旋“群体”的密度来计算。Kawakami课题组（Ohio State University）利用该方法对过渡族金属二硫化物WS2在低温（<6K）下进行了时间分辨克尔转角测量（TRKR）。对比TRKR信号与显微荧光，研究者发现强激子发光与高自旋密度之间的一种意料之外的反相关关系。这一发现为短时激子自旋角动量到长时导电电子自旋态转化提供了新的见解。时间分辨克尔效应的原理与装置图4. 强磁场（>1T）MOKE华盛顿大学的Xu和Cobden 利用7T的超导磁体与低温设备，采用法拉第几何光路测量磁场对光致发光极化的影响对单层WSe2进行了研究。更多信息请阅读：Magnetic Control of Valley Pseudospin: A Story of Symmetry.参考文献：[1] Durham Magneto Optics Ltd & Beguivin, A. Characterization of the Montana Instruments Cryostation C2 for low temperature Magneto-Optical Kerr Effect measurements using the NanoMOKE 3.[2] Bushong, E. J. et al. Imaging Spin Dynamics in Monolayer WS2 by Time-Resolved Kerr Rotation Microscopy. arXiv:1602.03568 [cond-mat] (2016).[3] Aivazian, G. et al. Magnetic Control of Valley Pseudospin in Monolayer WSe2. Nature Physics 11, 148–152 (2015).[4] Henn, T. et al. Ultrafast supercontinuum fiber-laser based pump-probe scanning MOKE microscope for the investigation of electron spin dynamics in semiconductors at cryogenic temperatures with picosecond time and micrometer spatial resolution. Review of Scientific Instruments 84, 123903 (2013).