近期，兩篇發表于《Nature》正刊的研究成果，均提及了一款關鍵科研設備 ——低溫強磁場光學測量系統。這款設備為何能成為量子材料研究領域的核心工具？其技術原理、應用價值及主流解決方案又有哪些特點？本文將根據近期發表案例展開深入解析。

一、光學測量的優勢

近些年來隨著物理和材料相關研究的深入，越來越多的學術研究工作中用到了低溫環境下或者是低溫強磁場環境下的光學測量。低溫、強磁場環境在傳統的材料學相關研究中已經是重要的測量條件，但是以前更多的是將低溫和強磁場與電學測量相結合。隨著量子材料研究的興起，緊靠電學測量已無法滿足科研的需求。將低溫、強磁場與光學測量相結合已成為量子材料研究的全新探測工具。簡單來說光學測量具有以下優勢：

• 高能量分辨率： 可以精確測量能隙、聲子能量、激子束縛能等；

• 高空間分辨率： 結合顯微成像和顯微光譜技術，可以對微米甚至納米尺度的樣品（如二維材料、納米線、量子點）進行局域測量；

• 無損和非接觸： 不需要制備電極，避免了電極接觸對樣品可能造成的污染或影響，特別適合容易被損壞的新材料；

• 豐富的信息維度： 光學測量可以獲取能量、動量、偏振、壽命等多維信息。例如：偏振分辨測量可以探測晶格對稱性和電子各向異性。時間分辨測量可以追蹤超快的動力學過程。

低溫強磁場光學測量手段的興起，源于現代科學研究正走向極端條件和量子調控。科學家們不再滿足于研究物質在常規環境下的性質，而是主動創造極端環境（低溫、強場、高壓），來揭示材料更深層次的、在常規條件下隱藏的量子特性。光學測量則像一雙敏銳的“眼睛”，能夠以無損、高分辨率的方式洞察這些量子現象。簡單來說，低溫消除了熱噪聲，強磁場能操控電子態，而光學測量則提供了高分辨率、無損的探測方式。三者結合，形成了研究量子現象無比重要的強大工具。

二、正刊案例：低溫強磁場光學測量的實戰突破

案例1. 轉角雙層二碲化鉬（MoTe?）材料中分數填充態的隱藏態及動力學行為

今年，哥倫比亞大學朱曉陽課題組在轉角雙層二碲化鉬（MoTe?）材料的特性研究中取得了重要成果。2025年4月3日，Nature以《Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe₂ bilayers》為題在線發表了該項研究的重要成果，Yiping Wang為改文章的第一作者，朱曉陽為通訊作者。

該課題組利用超快瞬態光學泵浦-探測光譜技術，系統探測和揭示了扭曲雙層MoTe?（tMoTe?）莫爾超晶格中豐富的分數量子態，特別是在不同分數填充因子（如ν = -4/3、-3/2、-5/3、-7/3、-5/2、-8/3等）下出現的多達近20個隱藏的分數量子態。這些分數量子態被認為是具有潛在拓撲性質的強關聯電子液體，可能對應阿貝爾或非阿貝爾的分數量子霍爾態、分數量子陳數絕緣體以及分數量子拓撲絕緣體等新奇拓撲相。

利用泵浦探針光譜對MoTe?的隱藏態和分數填充進行測量

文章通過低溫（約2 K）下的時間分辨光譜實驗，揭示了這些分數量子態在皮秒尺度上的動態熔化與恢復過程，發現電子摻雜態和空穴摻雜態在熔化動力學上存在顯著差異，電子態因層間雜化更強而熔化更快，空穴態則更局域且響應更慢。同時，研究還觀察到了電子態與聲子態的耦合及其對分數量子態動力學的影響，進一步通過泵浦功率、溫度和磁場等多參數調控，深入解析了這些復雜多體態的物理機制。

該項研究取得了一些列突破性成果，首先，研究發現了多種隱藏的分數量子態，拓展了莫爾超晶格中拓撲量子相的種類和理解范圍。其次，揭示了分數量子態的超快動力學特征，包括電子和聲子機制的不同時間尺度的熔化與恢復過程。此外，該研究證明了時間域光譜技術在探測微弱、液態性質的分數量子態中的高靈敏度和優勢，為未來實驗檢測和操控拓撲量子態提供了新方法。

總體而言，該研究凸顯了了理論與前沿實驗技術結合的重要性，不僅豐富了對扭曲雙層MoTe?中分數量子霍爾效應和拓撲相的認識，也為實現基于莫爾材料的拓撲量子器件奠定了實驗基礎。該項研究工作提到了超快泵浦測量是在Quantum Design的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool中完成的。

【參考】Wang, Y., Choe, J., Anderson, E. et al. Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe2 bilayers. Nature  (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08954-8

案例2. NiI₂中p波磁體的電控轉換

2025年5月，Nature在線刊登了又一突破性進展。美國麻省理工學院Riccardo Comin、Qian Song、美國伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校Rafael M. Fernandes團隊創新性發現并系統闡明了在多鐵性NiI?中存在非相對論性（p波）奇數對稱性的自旋極化。該研究結合二次諧波、拉曼光譜、線性二色性、光電流等多種測量與第一性原理計算和群理論分析，直接證明了自旋螺旋型II型多鐵材料NiI?的自旋極化具有與螺旋手性相關的奇宇稱特征。這種對稱性保護的耦合使得主要的非相對論性自旋極化可以通過電場進行控制。

NiI₂的激化翻轉

圓偏振光光電流（CPGE）測量

該篇工作的重要意義在于以下幾個方面。首先發現了NiI?中非相對論性（p波）奇數對稱性自旋極化，該自旋極化由螺旋自旋結構的手性決定，且不依賴強自旋軌道耦合。此外，研究人員實現了通過電場冷卻控制自旋極化的開關，展示了多鐵性NiI?中自旋態的電壓可控性。研究內容還揭示了自旋手性、鐵電極化與光電流（CPGE）之間的耦合機制，為利用非相對論性自旋紋理實現能效高、自旋電子學器件提供了新思路。通過本研究工作，作者建立了穩定的多鐵性域選擇和CPGE測量方法，為后續研究和器件開發奠定了實驗基礎。本研究工作中SHG和拉曼測量是在Janis ST-500型恒溫器中進行。線性二色性以及光電流的測量是在Quantum Design的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool中進行的。

【參考】Song, Q., Stavri?, S., Barone, P. et al. Electrical switching of a p-wave magnet. Nature, 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09034-7

三、淡妝濃抹總相宜，低溫、強磁場光學測量的靈活性、一站式解決方案

兩篇重要工作中重要的光學測量部分都提到了OptiCool，而OptiCool為什么能夠成為眾多科學價的選擇呢？OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺，創新的設計方案確保樣品可以處于光路的關鍵位置。系統擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達±7T的磁場，或者4T-1T-1T矢量磁場。多達7個側面窗口、1個頂部超大窗口、1個底部窗口（可選），方便光線由各個方向引入樣品腔。系統10 nm的超低振動特性能夠為用戶提供超穩定的顯微光譜測量。已成為全球眾多科研團隊在低溫強磁場光學測量方面的優選設備。針對用戶的常用需求，Quantum Design公司目前可以提供一站式解決方案。

低溫強磁場全光譜測量系統

Quantum Design采用模塊化的光路搭建與控制技術，開發了多種整體化測量解決方案。為了提高設備的使用效率，系統支持多種光路的自動化切換，一套OptiCool即可滿足不同的測量要求，實現多種光學測量功能。通過軟件和步進馬達實現光路自動化切換，避免了手動切換光路后需要反復調試的情況。整體化解決方案的推出使低溫強磁場光學實驗進入一鍵操控時代。

目前已經支持的實驗方案有熒光，熒光壽命，拉曼光譜，偏振分辨二次諧波，光電流，磁光克爾、磁圓二色、角分辨、超快泵浦測量等可供用戶選擇。

此外，Quantum也針對不同的低溫系統開發了全面的低溫光譜測量系統，目前可提供的系統有：

• Montana超精細多功能無液氦低溫光譜系統

• 基于綜合物性測量系統PPMS DynaCool光學測試系統

• 基于Lake Shore Janis低溫、磁場設備的光學測量系統

• 基于attocube超低震動無液氦磁體與恒溫器的光學測量系統