CN114088667A - 低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量*** - Google Patents

低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量*** Download PDF

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Abstract

一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，包括：恒温装置，适用于放置待测样品且将待测样品的温度保持在低温环境下；物镜，适用于将目标激光聚焦到待测样品上，以激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光；磁场产生装置，适用于给待测样品施加磁场；以及连接台，恒温装置和磁场产生装置设置于连接台上，连接台适用于驱动恒温装置和磁场产生装置转动；其中，在连接台沿着预设方向旋转的情况下，目标激光聚焦到待测样品上的位置保持不变，磁场产生装置与恒温装置的相对位置保持不变，每隔预设角度，通过物镜的目标激光激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光，从而得到波矢分辨的布里渊散射光谱。

Description

低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***
技术领域
本发明涉及布里渊光谱测试技术领域，尤其涉及一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***。
背景技术
近年来，磁振子自旋电子学得到了长足发展。自旋波(其元激发为磁振子)是磁有序的动态本征激发，具有低于THz的频率范围和纳米量级的波长，因此自旋波与电子电流类似，它可以作为计算设备的数据载体，实现在宏观距离上提供无热损耗的自旋信息传输和基于波的计算技术。与传统的电子逻辑电路相比，基于二维磁性材料中的自旋波干涉和非线性波相互作用的逻辑电路可以设计出更小的单元，对微纳自旋波器件的发展具有重要意义。
布里渊光谱技术是一种高效、无损的测量技术，能够对材料中频率在∽1-300GHz范围内的元激发(如声子和磁振子等)进行测量，在研究自旋传输扭矩和自旋晶格相互作用等方面发挥着重要作用。如果能将布里渊光谱技术与磁振子自旋电子学研究相结合，就能够将微纳米的空间尺度与磁振子物理过程的时间尺度相结合，提供一种更为强大的磁振子自旋电子学表征与研究的手段。
研究自旋波的传播特性离不开波矢分辨的布里渊光谱测量***。目前磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***大多是在室温下工作，而大多数二维磁性材料的磁性转变温度低于室温。因此，为了在其磁性转变温度以下对其自旋相关特性如自旋波色散关系等进行研究，需要能够得到低温磁场环境下的波矢分辨的布里渊散射光谱的布里渊光谱测量***。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面的实施例，提供了一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，包括：恒温装置，适用于放置待测样品且将待测样品的温度保持在低温环境下，低温为低于等于500K；物镜，适用于将目标激光聚焦到待测样品上，以激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光；磁场产生装置，适用于给待测样品施加磁场；以及连接台，恒温装置和磁场产生装置设置于连接台上，连接台适用于驱动恒温装置和磁场产生装置转动；其中，在连接台沿着预设方向旋转的情况下，目标激光聚焦到待测样品上的位置保持不变，磁场产生装置与恒温装置的相对位置保持不变，每隔预设角度，通过物镜的目标激光激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光，从而得到波矢分辨的布里渊散射光谱。
根据本发明的实施例，磁场产生装置包括多个磁块，适用于调节施加在待测样品上的磁场。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：平移台，与恒温装置固定连接，平移台设置于连接台上，以调节恒温装置中的待测样品在垂直于所述目标激光照射方向的水平方向的位置。旋转台，与连接台固定连接，以带动连接台转动，从而调节恒温装置中的待测样品的待测表面法线方向相对于所述目标激光照射方向的角度；以及升降台，适用于可升降地支撑旋转台，以调节恒温装置中的待测样品在垂直于所述目标激光照射方向的高度方向的位置。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：可调镜架，与物镜连接，以调节物镜的俯仰角度；以及调节平台，与可调镜架固定连接，以调节物镜的位置。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：激光光源，用于产生激光；以及白光光源，用于产生白光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：滤光片，用于减小激光的强度，形成目标激光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：分光***包括：第一分束片，用于将白光分成第一透射白光和第一反射白光；第二分束片，用于透射第一反射白光，形成第二透射白光，所述第二透射白光对待测样品进行照明，第二透射白光依次经待测样品及第二分束片反射，形成第二反射白光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：成像设备，用于收集第二反射白光进行成像，以对待测样品进行观察。
根据本发明的实施例，物镜还用于对波矢分辨的布里渊散射光进行收集和准直。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：法布里-珀罗干涉仪，用于对物镜收集并准直的波矢分辨的布里渊散射光进行频率分析。
根据本发明上述实施例提供的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，设置恒温装置，可以将待测样品的温度保持在低于等于500K，进而可以在二维磁性材料的磁性转变温度以下测量其自旋相关特性，如自旋波色散关系等。将恒温装置和磁场产生装置设置于连接台上，通过连接台驱动恒温装置和磁场产生装置转动，在保证目标激光聚焦到待测样品的位置保持不变、磁场产生装置与待测样品位置保持不变的同时，还能改变入射角度，连续改变表面波波矢的大小，进而实现波矢分辨布里渊光谱的测量。
附图说明
图1是根据本发明的一种示例性实施例的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***的示意图；
图2A是利用图1所示的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***将激光聚焦到待测样品上的示意图；以及
图2B是图1所示的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***的连接台旋转时，激光聚焦到待测样品上的示意图。
附图标记：
11-恒温装置
111-恒温器 112-恒温样品室
12-待测样品 20-平移台
30-磁场产生装置 40-连接台
50-旋转台 60-升降台
70-物镜 71-可调镜架
80-调节平台 90-白光光源
100-成像设备 110-滤光片
120-分光***
1201-第一分束片 1202-第二分束片
130-法布里-珀罗干涉仪 140-激光光源
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。在附图中示出了根据本申请实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。
根据本发明总体上的发明构思，提供了一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，包括：恒温装置，适用于放置待测样品且将待测样品的温度保持在低于等于500K；物镜，适用于将目标激光聚焦到待测样品上，以激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光；磁场产生装置，适用于给待测样品施加磁场；以及连接台，恒温装置和磁场产生装置设置于连接台上，连接台适用于驱动恒温装置和磁场产生装置转动；其中，在连接台沿着预设方向旋转的情况下，目标激光聚焦到待测样品上的位置保持不变，磁场产生装置与恒温装置的相对位置保持不变，每隔预设角度，通过物镜的目标激光激发待测样品产生带有待测样品光谱特性的布里渊散射光，从而得到波矢分辨的布里渊散射光谱。
图1是根据本发明的一种示例性实施例的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***的示意图。
如图1所示，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***包括：恒温装置11、磁场产生装置30、连接台40及物镜70。
如图1所示，恒温装置11包括恒温器111和恒温样品室112，其中，恒温器111和恒温样品室112固定连接。恒温样品室112适用于放置待测样品12且将待测样品12的温度保持在低温环境下，低温为低于等于500K。恒温器111可以包括液氦低温恒温器及液氮低温恒温器。当恒温器111为液氦低温恒温器时，待测样品12的温度可以为3.4K-500K之间的任意温度；当恒温器111为液氮低温恒温器时，待测样品12的温度可以为77K-500K之间的任意温度。由此，该低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***可以测量待测样品12在例如居里温度以下的自旋的相关特性。
物镜70适用于将目标激光聚焦到待测样品12上，以激发待测样品12产生带有待测样品12光谱特性的布里渊散射光。物镜70为超长工作距离物镜，物镜70位于恒温样品室112的光学窗口正前方，能够将激光光源140产生的激光聚焦到待测样品12表面，同时也能收集并准直波矢分辨的布里渊散射光。
磁场产生装置30适用于给待测样品12施加磁场，待测样品12可以分别受到磁场产生装置30提供的两组相互垂直的面内平行磁场。
连接台40，恒温装置11和磁场产生装置30设置于连接台40上，连接台40适用于驱动恒温装置11和磁场产生装置30转动。连接台40用于支撑磁场产生装置30和恒温装置11并与旋转台50固定连接。
图2A是利用图1所示的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***将激光聚焦到待测样品上的示意图；图2B是图1所示的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***的连接台旋转时，激光聚焦到待测样品上的示意图。
如图2A所示，未改变测量角度时，通过物镜70将激光聚焦到所述待测样品12上。如图2B所示，在连接台40沿着预设方向旋转的情况下，磁场产生装置30与恒温装置11的相对位置保持不变，目标激光聚焦到待测样品12上的位置保持不变。每隔预设角度，通过物镜70的目标激光聚焦到待测样品12上，对待测样品12进行激发，使得待测样品12产生带有待测样品12光谱特性的布里渊散射光，从而得到波矢分辨的布里渊散射光谱。
如图1所示，磁场产生装置30包括设置于不同方向的多个磁块，通过调节磁块的个数以及磁块与待测样品12的距离来调节施加在待测样品12上的磁场大小。该磁场产生装置30分别将两组方形磁块(图中未示出)上下和前后放置，该上下放置的磁块通过转接板(图中未示出)和平移台(图中未示出)固定于连接台40上，前后放置的磁块也通过转接板(图中未示出)和平移台(图中未示出)固定于连接台40上。上下放置的方形磁块的中心处的磁场平行，前后放置的方形磁块的中心处的磁场也相互平行，这两种不同的放置方式使得放置在两个磁块组中心的待测样品12可以分别感受到两种相互垂直的面内平行磁场，通过改变所加磁块的个数和利用平移台(图中未示出)改变两组磁块与待测样品12之间的距离，控制待测样品12受到的磁场大小。上下和前后两种不同方向的磁场配置可用于不同自旋波模式的波矢分辨布里渊光谱测量。相比于采用笨重的大块永磁体来产生磁场，本发明将磁场产生装置30与恒温装置11集成的同时，还能更加简单、轻便、灵活地改变磁场。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：平移台20、旋转台50和升降台60。平移台20与恒温装置11固定连接，平移台20设置于连接台40上，平移台20能够在二维平面内调节恒温装置11与通过物镜70入射的目标激光的相对位置，进而在垂直于目标激光照射方向的水平方向上调节目标激光聚焦到恒温装置11中的待测样品12的位置。
根据本发明的实施例，旋转台50与连接台40固定连接，朝预设方向转动旋转台50，可以带动连接台40转动，从而调节恒温装置11中的待测样品12的待测表面的法线方向相对于目标激光照射方向的角度。入射光路保持不动，刚开始入射光垂直照射待测样品12的待测表面时，入射角为0°，顺时针或逆时针转动旋转台50，入射角增大(0°-90°)，与入射角的正弦值成正比的表面波的波矢大小也会增大，通过连续转动旋转台50，可以连续改变表面波波矢的大小，实现波矢分辨布里渊光谱测量。
根据本发明的实施例，升降台60可升降地支撑旋转台50，升降台60可以调节恒温装置11中的待测样品12在垂直于目标激光照射方向的高度方向的位置。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：可调镜架71和调节平台80。可调镜架71与物镜70连接，可以调节物镜70的俯仰角度，使物镜70的中心处于水平位置。调节平台80与可调镜架71固定连接，可以调节物镜70的位置，保持入射光与物镜70的中心同轴，使得通光量最大，提高入射光的激发效率以及散射光的收集效率。同时，利用调节平台80使物镜70伸入磁场产生装置30中，控制物镜70到待测样品12的距离等于物镜70的工作距离。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：激光光源140和白光光源90。激光光源140用于产生激光来激发待测样品12产生带有待测样品12光谱特性的布里渊散射光，从而得到布里渊散射光谱。白光光源90用于产生白光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：滤光片110，能够减小激光的强度，防止弹性散射的激光造成成像设备100的过度曝光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：分光***120。该分光***120包括：第一分束片1201和第二分束片1202。第一分束片1201用于将白光分成第一透射白光和第一反射白光；第二分束片1202用于透射第一反射白光，形成第二透射白光，第二透射白光对待测样品12进行照明，第二透射白光依次经待测样品12及第二分束片1202反射，形成第二反射白光。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：成像设备100，用于收集第二反射白光进行成像，以对待测样品12进行观察。
根据本发明的实施例，低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***还包括：法布里-珀罗干涉仪130，用于对物镜70收集并准直的波矢分辨的布里渊散射光进行频率分析。
根据本发明的实施例，第一分束片1201和第二分束片1202集成在一连接到齿条平动台(图中未示出)的双镜调节架(图中未示出)上面，可以实现双镜调节架连同第一分束片1201和第二分束片1202同时推进或移出光路，在需要观察待测样品12时将第一分束片1201和第二分束片1202推进光路中。在利用法布里-珀罗干涉仪130进行波矢分辨布里渊光谱测量时，通过齿条平动台将第一分束片1201和第二分束片1202移出光路，以提高散射信号的收集效率。第一分束片1201和第二分束片1202相互垂直，可以补偿单独一片分束片1201或1202带来的光线偏折的问题，使得成像设备100成像的目标位置与目标激光实际聚焦的位置保持一致。
以下列举具体实施例来对本发明实施例的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***的应用场景作详细说明，需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。本实施例提供了利用上述低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***对二维磁性材料Fe3GeTe2进行测量的方法。
首先改变两组磁块的放置方式，使磁场产生装置30产生上下方向的面内平行磁场，用于待测样品12中与DM(Dzyaloshinsky-Moriya)相互作用相联系的Damon–Eshbach(DE)模式的测量。
调节平移台20，移动待测样品12，使旋转台50的转轴在待测样品12的待测表面内，保证转动旋转台50时，目标激光聚焦到待测样品12的位置始终保持不变。
调节可调镜架71以及调节平台80，使入射光与超长工作距离物镜70的中心同轴，同时保证通过超长工作距离物镜70的入射光聚焦在二维磁性材料Fe3GeTe2的表面。
将待测样品12置于液氦/液氮温度下，从目标激光垂直照射待测样品12的待测表面的位置开始，往一个固定方向(顺时针/逆时针)梯度(如每隔6°)转动旋转台50，测量波矢分辨的布里渊光谱，根据得到的斯托克斯和反斯托克斯峰的频率差-自旋波波矢关系的斜率可以获得待测样品12的DM相互作用系数。同时，通过改变待测样品12的温度，可以得到DM相互作用系数-温度关系。
本发明设置的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，将低温的恒温器111与磁场环境下的波矢分辨的布里渊光谱测量***相结合，能够实现变温和变磁场的波矢分辨布里渊光谱测量，同时可以根据待测样品12的实际温度需要选择液氮或液氦制冷，降低成本。本发明设置的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***能够在改变温度、改变磁场和改变入射角的情况下实现对二维磁性材料的布里渊光谱测量，还可以测量二维磁性材料在其磁性转变温度以下的自旋波色散关系，研究DM相互作用和自旋晶格相互作用等自旋波的相关性质。
本发明设置了一套易于搭建、运行简便、低成本的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***。本发明的低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***采用的磁场产生装置为轻便的磁块，使得该低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***克服了相关的布里渊光谱测量***采用永磁体而导致的装置笨重的问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温磁场环境下的波矢分辨布里渊光谱测量***，包括：
恒温装置，适用于放置待测样品且将所述待测样品的温度保持在低温环境下，所述低温为低于等于500K；
物镜，适用于将目标激光聚焦到所述待测样品上，以激发所述待测样品产生带有所述待测样品光谱特性的布里渊散射光；
磁场产生装置，适用于给所述待测样品施加磁场；以及
连接台，所述恒温装置和所述磁场产生装置设置于所述连接台上，所述连接台适用于驱动所述恒温装置和所述磁场产生装置转动；
其中，在所述连接台沿着预设方向旋转的情况下，所述目标激光聚焦到所述待测样品上的位置保持不变，所述磁场产生装置与所述恒温装置的相对位置保持不变，每隔预设角度，通过所述物镜的所述目标激光激发所述待测样品产生带有所述待测样品光谱特性的布里渊散射光，从而得到波矢分辨的布里渊散射光谱。
2.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，其中，所述磁场产生装置包括多个磁块，适用于调节施加在所述待测样品上的磁场。
3.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
平移台，与所述恒温装置固定连接，所述平移台设置于所述连接台上，以调节所述恒温装置中的所述待测样品在垂直于所述目标激光照射方向的水平方向的位置；
旋转台，与所述连接台固定连接，以带动所述连接台转动，从而调节所述恒温装置中的所述待测样品的待测表面的法线方向相对于所述目标激光照射方向的角度；以及
升降台，适用于可升降地支撑所述旋转台，以调节所述恒温装置中的所述待测样品在垂直于所述目标激光照射方向的高度方向的位置。
4.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
可调镜架，与所述物镜连接，以调节所述物镜的俯仰角度；以及
调节平台，与所述可调镜架固定连接，以调节所述物镜的位置。
5.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
激光光源，用于产生激光；以及
白光光源，用于产生白光。
6.如权利要求5所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
滤光片，用于减小所述激光的强度，形成所述目标激光。
7.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
分光***，包括：
第一分束片，用于将所述白光分成第一透射白光和第一反射白光；
第二分束片，用于透射所述第一反射白光，形成第二透射白光，所述第二透射白光对所述待测样品进行照明，所述第二透射白光依次经所述待测样品及所述第二分束片反射，形成第二反射白光。
8.如权利要求7所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
成像设备，用于收集所述第二反射白光进行成像，以对所述待测样品进行观察。
9.如权利要求1所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，其中，所述物镜还用于对所述波矢分辨的布里渊散射光进行收集和准直。
10.如权利要求9所述的波矢分辨布里渊光谱测量***，还包括：
法布里-珀罗干涉仪，用于对所述物镜收集并准直的所述波矢分辨的布里渊散射光进行频率分析。
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