低溫散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）在納米尺度上對材料特性的研究具有革命性的重要作用。為理解超導、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、拓撲絕緣體、奇異磁性和其它強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中分子和電子的納米尺度行為的研究開辟了新道路。通過將 attocube 光學低溫恒溫器技術(shù)與先進的納米光學成像和光譜 neaSCOPE 平臺相結(jié)合，共同開發(fā)的 cryo-neaSCOPE^+xs 克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，開創(chuàng)性的將nea-SNOM 的10 nm高空間分辨率和高靈敏度納米光譜與10k的低溫恒溫測量環(huán)境相結(jié)合，為低溫環(huán)境下的光學研究打開了新的大門。

attocube 研發(fā)的振動隔離系統(tǒng)能以納米級的精度保持所有 s-SNOM 元素之間的光束路徑差，從而即使在可見光頻率下也能進行高質(zhì)量的光干涉測量。自主研發(fā)的雙面拋物面鏡提供了兩個光學端口，用于寬光譜覆蓋范圍（Vis-IR-THz）內(nèi)的光譜和成像測量。整套系統(tǒng)在極低溫環(huán)境下，仍然能夠出色的完成所有的納米成像和納米光譜功能，例如散射式近場光學成像（s-SNOM），納米傅里葉紅外光譜（nano-FTIR），納米太赫茲時域光譜（nano THz-TDS）、泵浦探測近場超快（pump-probe ultrafast SNOM）和共聚焦拉曼（confocal Raman）以及針尖增強拉曼（TERS）等功能，在光源適配和譜學成像方面具有最大的靈活性，能夠支持用戶自主先進光源的耦合。超低振動低溫恒溫箱還使得在系統(tǒng)上進行的低溫原子力顯微鏡（cryo-AFM）測量能夠達到與 neaspec 室溫系統(tǒng)相當?shù)母哔|(zhì)量。

低溫近場光學顯微鏡在二階超晶格材料中的應用

研究背景：

魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）是由兩層石墨烯以約1.1°的特定角度扭曲而成的結(jié)構(gòu)。這個微小的扭轉(zhuǎn)角度導致了摩爾超晶格的形成，賦予材料特殊的電子性質(zhì)。在強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中，MATBG展現(xiàn)出強關(guān)聯(lián)效應，導致電子相互作用顯著，從而形成新奇的量子相，例如超導相和自旋液體。MATBG的能帶結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)平帶效應，意味著電子的有效質(zhì)量極小，有助于形成強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。這種特性在研究拓撲物態(tài)和量子相變中尤為重要。MATBG具備較強的調(diào)控能力，通過改變扭轉(zhuǎn)角度、施加電場或應變，可以精確調(diào)控MATBG的電子性質(zhì)，拓展了其在電子器件和量子計算中的應用潛力。同時，MATBG在光電器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收和光電響應性能，可能應用于高效的光伏材料和光探測器。為探索新型量子材料提供了理想平臺，吸引了大量研究者關(guān)注其基本物理機制及潛在應用。

近期，在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中觀察到的一系列強關(guān)聯(lián)相現(xiàn)象激發(fā)了實驗和理論上的一系列進展?；卩徑?，在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）與六方晶體氮化硼（hBN）的異質(zhì)結(jié)能夠顯著影響電子的性質(zhì)。例如hBN的存在可能導致MATBG中某些對稱性的破缺，例如反演對稱性，進而引發(fā)新的物理現(xiàn)象，如反?；魻栃筒牧系蔫F電性。hBN的絕緣特性可以幫助增強MATBG中電子間的相互作用，使得強關(guān)聯(lián)效應更為顯著，從而促進新型量子態(tài)的形成。這些鄰近效應使得MATBG與hBN的組合成為研究新型量子材料和探索新物理現(xiàn)象的一個重要平臺

在組合在特定的排列下能夠形成的摩爾超晶格，二階超晶格（SOSL）作為兩種基礎(chǔ)一階摩爾超晶格之間的幾何干涉的結(jié)果而出現(xiàn)，例如與hBN六方氮化硼對齊的魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）超晶格。為研究提供了新的調(diào)控手段，能夠通過微調(diào)扭轉(zhuǎn)角度或施加應變來探索不同的物理性質(zhì)，對研究材料的電子性質(zhì)和拓撲相有重要意義。近期對MATBG的研究已揭示了其在電子性質(zhì)上的豐富特征，但在如何在實空間觀察到二階超晶格（SOSL）的結(jié)構(gòu)及其對電子行為的影響方面仍面臨挑戰(zhàn)。具體而言，雖然在磁電輸運實驗中能夠識別出SOSL的特征，但仍缺乏實空間的可視化，使得對這些結(jié)構(gòu)的理解仍不透徹。核心問題是在極低溫環(huán)境下的超分辨光學表征方法長期以來受到制約。

近日，西班牙巴塞羅那科學技術(shù)學院Frank H. L. Koppen和Petr Stepanov 教授等采用了低溫近場光學顯微鏡并結(jié)合了原位的納米光電壓測量技術(shù)，對與氮化硼（hBN）緊密對齊的MATBG的摩爾超晶格進行了深入研究，并在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為 “Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices"的論文。

cryo-SNOM在T?=?10?K下對MATBG/hBN二階超晶格（SOSL）進行近場光學納米光電壓測量

研究中，作者對與六方氮化硼（hBN）對齊的魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）進行了低溫近場光電（cryogenic near-field optoelectronic）實驗。研究發(fā)現(xiàn)，通過電子輸運測量和低溫近場顯微鏡的納米光電壓測量揭示了與六方氮化硼緊密對齊的魔角扭曲雙層石墨烯中的二階超晶格，并通過長程周期性光電壓調(diào)制進行了證實。結(jié)果表明，即使是小至0.01°的微小應變和扭轉(zhuǎn)角變化，也會導致二階超晶格結(jié)構(gòu)的顯著變化。因此，空間觀察可以作為應變和扭轉(zhuǎn)角的“放大鏡"，有助于闡明扭曲雙層石墨烯中空間對稱性破缺的機制。

通過cryo-SNOM 觀察到的納米光電壓特征及破缺反演對稱性的門電壓和溫度響應。

通過這一技術(shù)，作者能夠在遠低于阿貝衍射極限的尺度上探測光電壓響應，在極低溫環(huán)境10K的溫度下實現(xiàn)對MATBG樣品的空間分辨率約為20 nm的光電壓探測。作者觀察到兩組空間上相互旋轉(zhuǎn)的條紋，這被解釋為源于二階超晶格（SOSL）的大規(guī)模局部勢能變化的表現(xiàn)。通過理論模型補充實驗發(fā)現(xiàn)，該模型將SOSL在真實空間中可視化為與扭曲雙層石墨烯（TBG）和hBN-石墨烯超晶格相關(guān)的基礎(chǔ)一階超晶格勢能之間的干涉。實驗結(jié)果與模型化勢能相結(jié)合，表明SOSL對局部應變和扭轉(zhuǎn)角變化的敏感性很高。最后，考慮到SOSL所暗示的破缺反演對稱性，作者討論其對MATBG中平帶物理的影響，并結(jié)合新型光電壓（PV）納米成像數(shù)據(jù)進行分析。

近場光學顯微鏡與超寬帶同步輻射光源結(jié)合在表面聲子極化激元研究的應用

文章導讀：

表面聲子極化激元（SPhPs）是束縛在不同光學介質(zhì)界面上的混合光學模式。SPhPs是與光學上不同介質(zhì)之間的界面相耦合的混合光子模式。光子與極性材料中的光學聲子耦合產(chǎn)生的。它們存在于雷斯特拉倫波段，即光譜區(qū)域（通常在遠紅外和中紅外范圍內(nèi)）。在橫向光學TO聲子和長軸光學LO聲子之間的光譜區(qū)域（通常在遠紅外和中紅外范圍內(nèi)），光介電常數(shù)的實部為負 1。通常情況下，SPhPs 在本體晶體中的約束較弱，波長接近自由空間中的波長。當晶體或膜的厚度減小到深亞波長尺度時當晶體或膜的厚度減小到深亞波長尺度時，每個界面上的 SPhP 模式雜化形成兩個波段，其對稱和不對稱分布為電磁場的正交分量相對于膜中心的膜中心。反對稱模式的能量較低，傳播時的動量明顯大于膜中心的動量。傳播時的動量明顯大于自由磁場中相同頻率的電反對稱模式的能量較低，傳播動量明顯大于自由空間中相同頻率的電磁波。對稱模式的能量被推高，并接近低頻（此時介電常數(shù)為零）。當膜厚度足夠小時，對稱模式的能量會被推高，并接近LO 頻率（此時介電常數(shù)為零）。在這種情況下，它被稱為ε-近零（ENZ）模式。ENZ 模式的色散在動量上幾乎是平的、 它延伸到光錐內(nèi)部，成為輻射貝里曼模式。

近期，來自瑞士日內(nèi)瓦大學和北卡羅來納州立大學的Alexey Kuzmenko和Yin Liu教師等研究人員結(jié)合超寬帶的同步輻射紅外光源和散射式近場光學顯微鏡（SINS），該裝置是基于美國ALS同步線站的先進光源，通過耦合進入Neaspec品牌的 s-SNOM 顯微鏡以及非對稱邁克爾遜干涉儀作為探測的干涉模塊搭建而成。通過該裝置，在實驗上證實了轉(zhuǎn)移到熱氧化硅基底（部分基底被金覆蓋）上的 100nm 結(jié)晶 SrTiO₃ 膜中的非對稱和對稱 SPhP 模式，包括輻射貝里曼模式。在這一厚度（低于自由空間波長的百分之一）下，對稱模式是真正的ENZ模式，樣品內(nèi)部的電磁場得到極大增強。此外，通過樣品邊緣附近的納米寬帶 SINS 成像，我們還發(fā)現(xiàn)了傳播的非對稱模式，其動量是塊狀 SrTiO₃中相同能量 SPhPs 的 10 倍。該研究成果以“Highly confined epsilon-near-zero and surface phonon polaritons in SrTiO₃ membranes"為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

s-SNOM和SINS 對SrTiO3 膜的制備和結(jié)構(gòu)特征

最近的理論研究表明，過渡金屬鈣鈦礦氧化物膜可以在紅外范圍內(nèi)支持表面聲子極化激元，能夠具有較低的損耗和比本體晶體更強的亞波長約束。然而，迄今為止尚未實驗觀察到這些模式。在本研究中，作者結(jié)合了基于同步輻射光源的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和近場同步輻射紅外納米光譜（SINS）成像，研究了轉(zhuǎn)移到金屬和介電基底上的100 nm厚的自由懸浮晶體SrTiO?膜中的聲子極化激元。我們觀察到對稱-異對稱模式分裂，產(chǎn)生了ε-近零模式和貝里曼模式，以及高度受限（10 倍）的聲子極化激元的傳播，這兩種情況都源于膜的深亞波長厚度?；诮馕鲇邢夼紭O子模型和數(shù)值有限差分方法的理論建模充分驗證了實驗結(jié)果。我們的研究揭示了氧化物膜作為紅外光子學和極化激元的平臺的潛力。

金和二氧化硅支撐的 SrTiO₃ 薄膜的 s-SNOM和SINS色散光譜表征

通過重點分析590 cm^-1 這一頻率的約束和色散特性，觀測到了SrTiO₃ 膜中表面聲子極化激元的近場振幅和相位變化，表明了其空間動力學和增強傳播的特性。值得指出的是，要獲得 SrTiO₃ 薄膜的全光譜響應，測量范圍低至 400 cm^-1 是至關(guān)重要。

低溫近場光學顯微鏡在表面聲子極化激元調(diào)控研究的應用

文章導讀：

聲子極化激元因其強光-物質(zhì)耦合和亞波長能量約束而在紅外應用中具有很大前景。然而，聲子極化激元的極窄帶的光譜即在橫向光學TO聲子 以上的 Reststrahlen 帶中出現(xiàn)，此時材料的實部介電常數(shù) ε(ω) 為負值。另一個瓶頸是難以對聲子極化子激元（PhP）進行調(diào)控，因為這些特性受到內(nèi)在晶格動態(tài)和器件幾何形狀的限制。盡管通過與電靜態(tài)控制的石墨烯等離子體、原子插層和光注入的耦合已展示出一定程度的動態(tài)表面聲子極化激元的 （SPhP） 調(diào)控，但這一納米光子學方向仍處于起步階段。調(diào)節(jié)聲子極化激元困難的特性阻礙了該領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

SrTiO?作為一種原型鈣鈦礦氧化物，因其兩條顯著的遠紅外聲子極化子帶而受到關(guān)注，盡管迄今尚未報告關(guān)于SrTiO?的聲子極化激元的調(diào)控工作。在低溫環(huán)境下調(diào)諧表面聲子極化激元是一個新的思路，在低溫（10K）條件下，表面聲子極化激元會發(fā)生重大轉(zhuǎn)變并能夠傳播到很遠的距離，預示著在轉(zhuǎn)播過程中的能量損失極小。該現(xiàn)象對長波長納米光子學和非傳統(tǒng)電子學等領(lǐng)域的應用有著至關(guān)重要的作用。

近期，來自瑞士日內(nèi)瓦大學Alexey Kuzmenko教授和首都師范大學的周怡汐教授在期刊課Nature Communications上發(fā)表了題為“Thermal and electrostatic tuning of surface phonon-polaritons in LaAlO₃/SrTiO₃ heterostructures"的報道。該工作基于來自德國Neaspec品牌的低溫近場光學顯微鏡cryo-neaSCOPE平臺，通過nano-FTIR 和 s-SNOM在低溫條件下（10K）系統(tǒng)討論了利用變溫（10K-300K）和靜電門共同調(diào)控LaAlO₃/SrTiO₃(LAO/STO)異質(zhì)結(jié)的表面聲子極化激元的光譜和傳播特性。觀測結(jié)果不僅表明LaAlO₃/SrTiO₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，還為在納米尺度上光與物質(zhì)的相互作用開辟了新的操作途徑。相關(guān)研究預示著SrTiO₃ 和 LaAlO₃/SrTiO₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)在傳感器、成像和能源管理系統(tǒng)等領(lǐng)域的應用潛力。

在極低溫環(huán)境下（10K），對SrTiO?中表面聲子極化激元的實空間nano-FTIR 和 s-SNOM納米光譜和成像研究

總體而言，低溫掃描近場光學顯微鏡（cryo-SNOM）實驗結(jié)合模擬結(jié)果表明，SrTiO₃不僅是一個新興的、在遠紅外范圍內(nèi)支持長傳播聲子極化激元的材料，還具有特殊的系統(tǒng)特性，其中通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)化可以輕松創(chuàng)建二維電子氣（2DEG），實現(xiàn)表面聲子極化子的主動調(diào)諧。這一理念最初是在石墨烯-氮化硼系統(tǒng)中實現(xiàn)的。雖然在塊狀樣品中弱約束的聲子極化子進展迅速，但超薄晶體層的快速制造將使我們能夠研究并利用這一系列材料中的高度約束體波導聲子極化子模式。

SrTiO₃中表面聲子極化激元（SPhP）特性的溫度依賴性

當前研究未涵蓋的鈦酸鍶低能量 Reststrahlen 帶來源于一種聲子模式，該模式在低溫下會顯著軟化，可能導致腔增強的鐵電相變，從而實現(xiàn)電動力學控制物質(zhì)的一個重要案例。來自該帶的表面聲子極化激元對溫度的敏感性可能超過這里研究的聲子極化子。在實驗方面，我們認為本研究中開發(fā)的雙邊緣干涉法可以廣泛用于解決 s-SNOM 實驗中常見的照明幾何不確定性。這種方法與使用圓盤發(fā)射器的方法是互補的，但不需要進行二維 s-SNOM 映射，因此在nano-FTIR 高光譜測量模式中更易實現(xiàn)。此外，隨著近場針尖-樣品相互作用理論模型的未來改進，我們預計低溫近場光學顯微技術(shù)將允許直接提取更多信息。