無液氦低溫強磁場共聚焦顯微鏡-attoCFM配備了全新的attoDRY系列無液氦的恒溫器和磁場，以及全新掃描頭attoCFM-MC。它簡單易用，其模塊化的設(shè)計滿足了光學(xué)實驗開放性與靈活性的要求，光致發(fā)光、熒光光譜（半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、量子點、納米線、光子晶體）、拉曼光譜（石墨烯、碳納米管、高溫超導(dǎo)）、量子光學(xué)器件制作（原位刻蝕、自組織量子點等）等都可以由此實驗平臺實現(xiàn)。

詳細(xì)介紹

經(jīng)過多年的發(fā)展，德國attocube公司生產(chǎn)的低溫強磁場環(huán)境共聚焦顯微鏡attoCFM系統(tǒng)，成為了在納米尺度研究量子點、量子器件光學(xué)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

為提高圖像質(zhì)量，共聚焦顯微鏡需要在低溫環(huán)境中工作，從而達(dá)到提高圖像高分辨率、清晰光學(xué)譜圖、銳化譜線和降低噪音的目的。同時，低溫下散射和非輻射效應(yīng)的減少，以及量子效率的提高，都有助于提高光學(xué)信號的強度，使得的研究發(fā)射能量與其他因素的關(guān)系成為可能。

產(chǎn)品特點

+ 優(yōu)異的系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以進(jìn)行長時間的實驗測量

+ 采用模塊化設(shè)計，主要光學(xué)部件可以快速、自由更換和升級

（filter/polarizer/beamsplitters)

+ 兼容低溫 mK環(huán)境中測量、強磁場 >15T環(huán)境中測量

+ 完整的無液氦系統(tǒng)，可選配table-top或top-loading構(gòu)造

+ 優(yōu)于衍射極限的空間分辨率

+ 低溫下5mmX5mmX5mm的樣品定位與掃描范圍

+ 多三個光學(xué)通道

+ 低溫光學(xué)物鏡NA=0.82

+ *的拓展性、靈活性和穩(wěn)定性

設(shè)備型號

attoCFM I

技術(shù)特點

+ 應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了從典型的CFM實驗，到拉曼光譜測量等
+ 高測量敏感度

+ 樣品表面大范圍定位 5mm x 5mm x 5mm，4K

+ 可升級到MFM、SHPM、SNOM和STM功能

+ 30μm x 30μm掃描范圍，4K

+ 變溫范圍：1.5K - 373K

+ 兼容磁場，zui高15Tesla

+ 兼容1"和2"孔徑的恒溫器和磁體，包括Quantum Design-PPMS

+ 低溫物鏡NA=0.82

+ 外置CCD，用于在低溫下觀測樣品位置，視野范圍75μm

主要技術(shù)參數(shù)

+ 顯微鏡光路：多三個光路（1個激發(fā)光路/1個探測光路/可選光路），每個光路中的光學(xué)部件可自由快速更換

+ 低溫物鏡：NA=0.82，WD=0.4mm，confocal分辨率~550nm（@635nm激光）

+ 低溫樣品視野范圍：~75μm（attoDRY），~56μm（attoLIQUID）

+ 樣品定位步長：0.05-3μm @ 300K; 10-500nm @ 4K

+ 樣品定位范圍：5 x 5 x 5 mm³

+ 變溫范圍：mK - 300K（取決于恒溫器配置）

+ 磁場強度：0 - 15T （取決于磁體配置）

+ 工作真空：1X10^-6mbar - 1bar （He交換氣氛）

*的拓展性、靈活性和穩(wěn)定性

attoCFM I為低溫?zé)o液氦free-beam配置，充分滿足了高靈活性和開放性的要求。模塊化的分光鏡頭位于恒溫器外部，可自由更換光學(xué)部件，可獨立的調(diào)節(jié)激發(fā)和接受端口，因此可以拓展進(jìn)行Raman光譜研究，實現(xiàn)納米尺度下樣品定量表面性質(zhì)表征。

attoCFM I性能非常穩(wěn)定，可進(jìn)行長時間實驗測量（如下圖）。

attoCFM I 的兩種配置：Faraday與Voigt Geometry

低溫強磁場共聚焦顯微鏡的研究中，一般有磁場方向與樣品表面垂直與平行兩種實驗架構(gòu)。德國attocube公司的attoCFM I新設(shè)計的樣品托與低溫物鏡結(jié)合可以有Faraday與Voigt Geometry兩種配置（如下圖）來實現(xiàn)磁場方向與樣品表面垂直或者平行兩種實驗架構(gòu)。

上圖：圖左為Faraday Geometry（磁場方向與樣品表面垂直），右圖為Voigt Geometry(磁場方向與樣品表面平行)

上圖： Faraday Geometry與Voigt Geometry兩種配置的光路圖與樣品托

應(yīng)用案例

■ 偏振微腔中尋求優(yōu)質(zhì)單光子源

單光子源是未來量子信息器件的基礎(chǔ)單元。*的實現(xiàn)方法要求單光子源必須同時具有高效以及不可分辨性。為了優(yōu)化固態(tài)單光子源，中國科技技術(shù)大學(xué)的潘建偉院士以及陸朝陽教授團(tuán)隊，展示了從橢圓微柱器件發(fā)出的無背景（雙干涉激發(fā)）且具有不可分辨性的極性單光子源。實驗中的光學(xué)測量，是基于德國attocube公司的無液氦閉循環(huán)低溫恒溫器attoDRY2100以及共聚焦顯微鏡attoCFM I進(jìn)行的。通過測量，課題組展示了前沿的橢圓微柱器件發(fā)出的極性單光子源具有60%的效率，并且不可分辨性高達(dá)0.975。該單光子源*實現(xiàn)了20個光子的量子光學(xué)實驗，尋求實現(xiàn)量子霸權(quán)。

上圖: a）橢圓微柱器件； b）器件發(fā)光光譜；c ）光譜中M1,M2模式的極性研究

參考文獻(xiàn)：

1. Chaoyang LU, et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities, Nature Photonics, 13, 770–775 (2019)

2. Chaoyang LU, et al. Coherently driving a single quantum two-level system with dichromatic laser pulses, Nature Physics, 15 , 941–946 (2019)

■ 利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)建量子計算原型機

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽等在量子計算機研究方面取得了里程碑式的突破，相關(guān)研究結(jié)果被權(quán)wei學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》接收。在光學(xué)體系，我國科學(xué)家團(tuán)隊*實現(xiàn)利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)建了量子計算原型機，并且演示了其超越經(jīng)典電子計算機（ENIAC）與晶體管計算機（TRADIC）的計算能力，向真正的“量子計算霸權(quán)”時代邁出了重要的一步。在此次量子計算實驗中的單光子器件（高效率的單光子源）的制備，陸老師課題組使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器，低溫位移臺與掃描臺，低溫物鏡等設(shè)備。

上圖：光量子計算機線路圖

參考文獻(xiàn)：Chaoyang LU et al., High-ef?ciency multiphoton boson sampling，Nature Photonics, 11, 361–365 (2017)

■ 量子調(diào)控在芯片平臺上實現(xiàn)基于二維材料的有序高效量子光源

無液氦閉循環(huán)低溫恒溫器attoDRY1100+attoCFM

來自史蒂文斯理工學(xué)院Stefan Strauf教授組報道了一種新的制備高效率量子發(fā)射器的方法，用于在芯片平臺上創(chuàng)建大量的量子光源。該方法具有有序可控以及量子產(chǎn)率高的特點，不僅為不可破解的加密系統(tǒng)開發(fā)鋪平道路，而且還為量子計算機的研發(fā)提供了可能的技術(shù)方案。該項工作成果發(fā)表在Nature Nanotechnology.

圖1：在芯片上任意位置按需創(chuàng)建量子光源的示意圖

藍(lán)寶石襯底上分布了有序分布的金顆粒（立方體）陣列，單層WSe₂被轉(zhuǎn)移到襯底上，三氧化二鋁分隔層與金鏡子也被加入實驗的設(shè)計。理論與實驗證明了單光子發(fā)射器存在于每個金顆粒的四角處。實驗發(fā)現(xiàn)單光子發(fā)射器實現(xiàn)了每秒發(fā)射4200萬個光子，創(chuàng)歷史新高。

參考文獻(xiàn)：Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)

■ 磁場光致發(fā)光譜表征二維晶體材料單光子發(fā)射性質(zhì)

單光子發(fā)射是研究量子光學(xué)的核心技術(shù)?，F(xiàn)有的單光子發(fā)光材料局限于一維與三維材料，二維材料中存在的單光子發(fā)射現(xiàn)象將為量子光學(xué)研究提供一個新的研究平臺。

潘建偉院士課題組利用attocube公司的低溫強磁場光學(xué)顯微鏡（attoCFM)研究發(fā)現(xiàn)了二維晶體材料單層二硒化鎢（WSe2)中存在的由于缺陷態(tài)引起的單光子發(fā)射現(xiàn)象。首先，通過低溫磁場下對微米尺寸單層樣品的光致發(fā)光譜精細(xì)掃描成像可以發(fā)現(xiàn)樣品某些位置存在超窄發(fā)光光譜。超快激光光致發(fā)光譜的測量研究證實了該處發(fā)光點為單光子發(fā)射。隨著低溫強磁場下（改變磁場，改變?nèi)肷涔庾笮c右旋性質(zhì)等實驗技術(shù)）進(jìn)一步對光致發(fā)光譜的表征發(fā)現(xiàn)在零磁場下樣品存在0.71meV的能量差并且該材料中存在超大激子g參數(shù)。經(jīng)過分析，該單光子發(fā)射很可能是由中性激子被缺陷態(tài)束縛在二維晶體中引起的。

作者預(yù)見該單光子發(fā)射中的物理機制的進(jìn)一步證實與該材料中存在的超大激子g參數(shù)的理解都可能是未來很有挑戰(zhàn)性的工作。該低溫強磁場中的共聚焦光學(xué)技術(shù)很有希望幫助科學(xué)家更加深入的理解二維材料中的單光子發(fā)射現(xiàn)象,從而使量子光學(xué)技術(shù)（例如結(jié)合光子晶體來控制單光子的發(fā)射率）的實際應(yīng)用成為可能。

參考文獻(xiàn)：He, Y.-M.; et al. Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature Nanotechnology 2015, 10, 497-502.

■ 低溫磁場Raman光譜研究石墨烯中磁聲共振現(xiàn)象

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)物理研究提供了一個二維材料的平臺。石墨烯在磁場中的磁激子（能級間躍遷）與晶體中聲子存在磁聲共振現(xiàn)象，該現(xiàn)象的理解需要更多的實驗來幫助分析。

Caiyu Qiu等人利用attocube公司的低溫強磁場共聚焦光學(xué)顯微鏡(attoCFM)對石墨塊襯底上的單層石墨烯進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，磁場下Raman光譜可以表征磁激子與石墨烯中聲子的相互作用。具體地，低溫下單層石墨烯的Raman光譜隨著磁場發(fā)生了明顯的變化。在磁場為4.65T左右的時候，由于磁聲共振現(xiàn)象的存在，Raman光譜具有獨立的三個峰存在。另外，把所有0-9T下不同磁場的光譜集合成光譜強度隨磁場與光譜能量變化的二維圖像可以發(fā)現(xiàn)，至少8個Raman活性且能量隨磁場變化的磁激子被實驗觀察到。

作者還發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量（不同聲子壽命，朗道能級壽命）的石墨烯樣品有不同程度的磁聲共振現(xiàn)象。該實驗對高質(zhì)量石墨烯樣品的制備與石墨烯甚至其他二維晶體材料的廣泛潛在應(yīng)用會有巨大幫助。

參考文獻(xiàn)：

1.Qiu, C.; Shen, X.; et al. Strong magnetophonon resonance induced triple G-mode splitting in graphene on graphite probed by micromagneto Raman spectroscopy. Physical Review B 2013, 88, 165407.

2.Faugeras, C.; et al. Magneto-Raman Scattering of Graphene on Graphite: Electronic and Phonon Excitations. Physical Review Letters 2011, 107, 036807.

■ 低溫強磁場下研究石墨烯中光電流產(chǎn)生機制

能帶彎曲與載流子濃度非均一分布會影響載流子運動與散射，是影響量子霍爾效應(yīng)的重要物理機制?？蓧嚎s與不可壓縮載流子濃度已經(jīng)被證實存在于石墨烯中，但是它們對石墨烯中量子霍爾效應(yīng)的具體影響還需進(jìn)一步研究。通過對石墨烯在低溫磁場下的光電流成像分布的實驗可以探究上述問題。

G.Nazin等人利用attocube公司低溫強磁場共聚焦光學(xué)顯微鏡(attoCFM)研究了4.2K與9T磁場下的石墨烯中光電流分布，以及該分布隨載流子濃度分布的具體變化。具體地，通過調(diào)節(jié)偏置電壓可以調(diào)節(jié)載流子濃度，從而光電流分布也隨之被調(diào)節(jié)。分析實驗數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)一般石墨烯中光電流隨偏置電壓成像結(jié)果是一個四頁的區(qū)域分布。首先，通過改變載流子濃度可以改變填充因子，因此樣品中載流子種類（電子或者空穴）被改變。另外由于電子與空穴的熱載流子也同時存在于樣品中，所以光電流所偏置電壓的實驗數(shù)據(jù)成像結(jié)果構(gòu)成了一個四頁區(qū)域。在樣品為電學(xué)中性的時候，是一個特殊的區(qū)域，實際我們只觀察到了一個兩頁的結(jié)果。此時，改變偏置電壓不僅改變了載流子種類，而且改變了能帶彎曲，因此光電流的極性沒有受到改變。

綜上所述，石墨烯中光電流受熱載流子影響，同時也對填充因子十分敏感。作者預(yù)見，使用同樣的低溫磁場下光電流的方法去研究懸空石墨烯器件中的載流子性質(zhì)能進(jìn)一步加深對該現(xiàn)象的理解。

參考文獻(xiàn)：Nazin, G.; et al. Visualization of charge transport through Landau levels in graphene. Nature Physics 2010, 6, 870-874.

■ 低溫下研究半導(dǎo)體量子點中電場調(diào)制光致發(fā)光

量子點三個維度的尺寸大小都在百納米以內(nèi)，因而具有顯著的量子限制效應(yīng)。由于量子效應(yīng)，量子點通常具有分立的能級而非連續(xù)能級。量子點被認(rèn)為在太陽能電池、發(fā)光器件、光學(xué)生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

K.Kleemans等人利用attocube公司的低溫強磁場共聚焦顯微鏡研究了低溫4.2K下半導(dǎo)體InAs/GaAs量子點中的電場調(diào)制光致發(fā)光現(xiàn)象。結(jié)果表明，半導(dǎo)體量子點的光致發(fā)光光譜能量隨偏置電壓的變化可以發(fā)生變化，在偏置電壓為負(fù)0.3V的時候，量子點達(dá)到電中性并且發(fā)光光譜能量達(dá)到大值。結(jié)合理論計算與實驗數(shù)據(jù)分析，該量子點的光致發(fā)光機制主要存在兩種（馬漢激子與混合激子發(fā)光）。在負(fù)偏置電壓下，引入空穴，量子點的兩個空穴與單個費米電子的庫倫作用形成馬漢激子。在正偏置電壓下，引入電子，引入電子與光子激發(fā)形成的電子空穴對形成混合激子。

該工作通過低溫下電場調(diào)制的光致發(fā)光研究半導(dǎo)體量子點中的多體問題,進(jìn)而開拓了一種有效研究近藤效應(yīng)與固體材料中電子自旋相關(guān)光激發(fā)態(tài)的實驗方法。作者預(yù)見，該實驗結(jié)果對量子點在光電器件、量子信息技術(shù)等方面的實際應(yīng)用具有重要的推動作用。

參考文獻(xiàn)：Kleemans, N. A. J. M.; et al. Many-body exciton states in self-assembled quantum dots coupled to a Fermi sea. Nature Physics 2010, 6, 534-538.

■ *yi套與低溫恒溫器聯(lián)用的共聚焦顯微鏡

Attocube公司*向*科學(xué)家提供無液氦低溫共聚焦顯微鏡系統(tǒng).....

在低溫下實現(xiàn)對樣品的三維、高分辨、非破環(huán)性成像.......

■ 石墨烯低溫Raman拉曼測量

在（9T，4K）下對石墨烯進(jìn)行磁-拉曼測量，結(jié)果表明E2g聲子的共振雜化展現(xiàn)出非常豐富的拉曼散射譜，并隨磁場強度發(fā)生顯著變化。

上圖顯示了在發(fā)生雜化的E2g聲子和（-2，+1）與（-1，+2）磁激發(fā)區(qū)域，拉曼譜隨磁場的具體變化情況。通過以600nm分辨率對7umX7um區(qū)域和不同散射鋒的測量（紅移，聲子中心峰位出現(xiàn)在5.3T），揭示了石墨烯在紅移部分，圖像發(fā)亮；而在E2g峰附近的拉曼散射圖像發(fā)暗。

用戶單位

attocube公司產(chǎn)品以其穩(wěn)定的性能、*的精度和良好的用戶體驗得到了國內(nèi)外眾多科學(xué)家的認(rèn)可和肯定，在范圍內(nèi)有超過了130多位低溫強磁場顯微鏡用戶。attocube公司的產(chǎn)品在國內(nèi)也得到了低溫、超導(dǎo)、真空等研究領(lǐng)域*科學(xué)家和研究組的歡迎......

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