在凝聚態(tài)物理的前沿探索中，理解量子材料在低溫強磁場下的超快動力學(xué)，是揭示其拓撲性、關(guān)聯(lián)性及非平衡態(tài)物理本質(zhì)的關(guān)鍵。超精準全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺OptiCool，憑借其全干式、全開放、超低振動及多窗口光學(xué)訪問的設(shè)計，已成為全球?qū)嶒炇议_展此類研究的重要工具。近期發(fā)表于 Nature Physics 和 Nature Nanotechnology 的兩項重磅成果，生動展示了OptiCool系統(tǒng)在時空分辨超快成像與超快磁光光譜學(xué)領(lǐng)域的革命性應(yīng)用價值。

一、 突破電學(xué)輸運局限：第一次直接觀測轉(zhuǎn)角WSe?中谷間相干態(tài)的集體激發(fā)模式

電荷中性集體激發(fā)的探測是凝聚態(tài)物理的核心挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)電學(xué)輸運方法依賴于帶電準粒子的響應(yīng)，對于激子、自旋波等不帶電荷的“奇異激發(fā)"無能為力。在二維莫爾超晶格體系中，理論預(yù)測的谷間相干（IVC）態(tài)及其伴隨的無能隙Goldstone模，因承載無耗散的自旋-谷“超流"而備受關(guān)注，但其直接觀測長期未能實現(xiàn)。

在發(fā)表于 Nature Physics 的研究中，加州大學(xué)圣芭芭拉分校金辰皓教授團隊等人，利用OptiCool系統(tǒng)，結(jié)合自研的空間-時間分辨超快泵浦-探測成像技術(shù)，第一次在轉(zhuǎn)角二硒化鎢（tWSe?）莫爾超晶格中直接捕獲了傳播的自旋-谷集體激發(fā)模式。該研究突破了傳統(tǒng)電學(xué)輸運僅探測帶電粒子的局限，證實時空分辨超快成像技術(shù)可精準捕捉電中性集體模式，為量子材料中性激發(fā)的實驗探測開辟了可靠技術(shù)路徑。

圖注：多種不同的自旋-谷激發(fā)模式的時空成像（a）普通模式和（b）奇異模式。

圖注：快慢奇異模式隨磁場的依賴關(guān)系：奇異模式的強度隨磁場先增后減，約2 T以上被壓制；而平衡態(tài)的MCD隨磁場單調(diào)增大。

研究的核心實驗發(fā)現(xiàn)是，在范霍夫奇點（VHS）附近，存在兩種傳播速度迥異且攜帶相反自旋-谷極化（Sz）的“奇異模式"：

• 快速奇異模式：攜帶與平衡磁化方向同號的Sz，傳播速度極快（約3 km/s），在約1 ns內(nèi)即抵達樣品邊界，其行為與IVC態(tài)破缺谷U(1)對稱性所產(chǎn)生的無能隙Goldstone模高度吻合。

• 慢速奇異模式：攜帶與平衡磁化方向反號的Sz，以擴散方式緩慢傳播（約35 ns到達邊界），被指認為有能隙的振幅（Higgs）模。

實驗明確區(qū)分出GoldStone模與Higgs模兩類集體激發(fā)，驗證了谷間相干態(tài)的物理模型，補齊了平帶體系中長期缺失的中性模式觀測證據(jù)。這一“一快一慢、Sz反號"的雙模式結(jié)構(gòu)，有效類比了超流體中的相位模與振幅模。在物理圖像上，局部光加熱會使部分“自旋-谷超流"凝聚態(tài)轉(zhuǎn)化為正常成分，振幅虧損通過慢速的Higgs模擴散（攜帶反號Sz），而被釋放的Sz則由快速的Goldstone模以無耗散超流形式帶走。

該工作不僅闡明莫爾超晶格中自旋、谷自由度與電荷的耦合關(guān)聯(lián)，揭示其與超流體集體激發(fā)的相似性，為關(guān)聯(lián)量子物態(tài)的類比研究提供新思路，也為轉(zhuǎn)角二維材料、谷物理與強關(guān)聯(lián)體系的后續(xù)研究奠定實驗基礎(chǔ)，為探索拓撲量子物態(tài)、調(diào)控中性激發(fā)輸運提供重要物理參考。

在這一系列突破性發(fā)現(xiàn)中，OptiCool系統(tǒng)發(fā)揮了核心支撐作用：

• 為復(fù)雜光路提供“自由舞臺"：研究需要同時引入線狀泵浦光和寬場探測光，并實現(xiàn)對自旋-谷極化的選擇性探測（磁光克爾效應(yīng)MOKE/反射磁圓二色RMCD）。OptiCool多達8個光學(xué)窗口（7個側(cè)面+1個頂部）和超大樣品腔（Φ89mm×84mm），允許研究人員像在室溫下一樣自由搭建復(fù)雜光路，不受限于傳統(tǒng)密閉式低溫系統(tǒng)的狹窄空間。

• 提供穩(wěn)定、精準的低溫強磁場實驗環(huán)境：系統(tǒng)的1.7K超低溫和±7T強磁場為穩(wěn)定莫爾超晶格中的關(guān)聯(lián)電子態(tài)提供了必要條件。其超低振動特性（<10nm峰-峰值）確保了長時間、高分辨成像的穩(wěn)定性。研究團隊得以在摻雜濃度（n）和電場（E）構(gòu)成的廣闊相空間中高效繪制出不同激發(fā)模式的分布圖譜。

二、拓撲自旋螺旋度在皮秒尺度的可逆相干切換

傳統(tǒng)磁存儲與計算依賴于磁矩的“0"和“1"二元態(tài)切換，已日益逼近其物理極限。磁渦旋、磁斯格明子等拓撲自旋結(jié)構(gòu)，憑借其拓撲保護特性及螺旋度、極性等額外自由度，被認為是突破這一瓶頸、實現(xiàn)高密度高速信息處理的關(guān)鍵候選者。傳統(tǒng)磁場、電流、電場等調(diào)控方式，需通過偏移渦旋核實現(xiàn)低頻進動切換，不僅速度遲緩，且易破壞自旋拓撲完整性，導(dǎo)致調(diào)控失序、可控性差。

針對這一痛點，南開大學(xué)付學(xué)文教授團隊深耕八年，創(chuàng)新性地提出了“面外磁場輔助飛秒激光脈沖"調(diào)控策略，第一次在納米磁渦旋中實現(xiàn)了拓撲自旋螺旋度的皮秒級、相干、無損翻轉(zhuǎn)開關(guān)。在這篇發(fā)表于 Nature Nanotechnology 的工作中，該團隊以鎳鐵合金納米磁盤為研究對象，依托自主研制的新一代場發(fā)射4D超快透射電子顯微鏡，結(jié)合時間分辨磁光克爾效應(yīng)測量，觀測到磁渦旋拓撲螺旋度在皮秒尺度（1皮秒為萬億分之一秒）的可逆相干切換，切換速度較傳統(tǒng)方法提升一個數(shù)量級，且全程保留磁渦旋本征拓撲構(gòu)型與對稱性，實現(xiàn)了真正意義上的非接觸式無損相干調(diào)控。

圖注： 磁渦旋拓撲螺旋度相干調(diào)控新策略、原位實驗結(jié)果及切換過程能壘變化

圖注：不同磁場下飛秒激光調(diào)控磁渦旋拓撲螺旋度不同類型翻轉(zhuǎn)的動力學(xué)模擬

該工作的核心實驗發(fā)現(xiàn)與理論機制可總結(jié)如下：

• 理論模型：飛秒激光的光熱退磁效應(yīng)可瞬時重塑渦旋態(tài)在布洛赫球上的能量景觀，降低相反螺旋度之間的拓撲能壘；在隨后的再磁化過程中，自旋圍繞隨時間演化的有效場發(fā)生相干進動，從而實現(xiàn)螺旋度的超快切換。

• 磁場調(diào)控的動力學(xué)：微磁模擬復(fù)現(xiàn)了實驗中隨面外磁場增加，系統(tǒng)依次經(jīng)歷確定性翻轉(zhuǎn) → 隨機翻轉(zhuǎn)/多核態(tài) → 確定性不翻轉(zhuǎn)的完整相圖。

圖注：磁渦旋確定性不翻轉(zhuǎn)的自旋動力學(xué)過程

研究團隊利用OptiCool平臺的時間分辨磁光克爾效應(yīng)（TR-MOKE）測量功能，對相干螺旋度確定性不翻轉(zhuǎn)動力學(xué)過程的時間尺度進行了獨立驗證。在約130 mT面外磁場、19.5 mJ/cm2激光通量條件下，TR-MOKE測量到的自旋進動信號與無渦旋的Py薄膜對照信號有明顯差異，其振蕩特征與理論預(yù)測的相干進動行為相符，從超快光學(xué)響應(yīng)的角度確認了拓撲自旋螺旋度切換過程發(fā)生在約270 ps的時間尺度上。這一測量為4D超快電鏡的核心發(fā)現(xiàn)提供了互補性的、強有力的實驗支撐。

結(jié)語：開啟非平衡態(tài)量子物質(zhì)研究的新范式

上述兩項發(fā)表于Nature子刊的工作，深刻凸顯了OptiCool平臺在推動超快凝聚態(tài)物理前沿研究中的核心價值。它將極低溫、強磁場、超低振動、多窗口光學(xué)訪問與高度自動化軟件控制等特性集于一身，為研究者提供了一個重要的開放式實驗平臺。

該平臺已成功兼容共聚焦拉曼/熒光光譜、二次諧波（SHG）、磁光克爾效應(yīng)（MOKE）、反射磁圓二色（RMCD）、超快泵浦-探測等多種先進光譜技術(shù)，實現(xiàn)了從靜態(tài)光譜到動態(tài)成像的全面測量能力。正因如此，OptiCool已助力全球數(shù)百個實驗室在低溫強磁場條件下取得突破性成果，發(fā)表在 Science、Nature 系列等期刊上的重要工作已接近百篇。可以預(yù)見，隨著OptiCool平臺的持續(xù)發(fā)展與功能拓展，它必將在揭示量子材料中隱藏的電荷-自旋-谷耦合動力學(xué)、推動拓撲電子學(xué)與量子技術(shù)發(fā)展中扮演愈發(fā)關(guān)鍵的角色。

OptiCool低溫強磁場光學(xué)的理想研究平臺

OptiCool系統(tǒng)提供標(biāo)準 7 T 磁體、矢量磁體及無磁體三種配置方案，以滿足多樣化的實驗需求。

OptiCool 低溫光學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)從 350 K 至 1.7 K 的全自動降溫和精確溫度控制，并具備高精度光學(xué)測量所需的高穩(wěn)定性、低振動性能。7 T配置和矢量磁體配置的一體化磁體設(shè)計將樣品置于光學(xué)環(huán)境的中心，能夠?qū)崿F(xiàn)無遮擋、多方向的光學(xué)通道，矢量磁體還可精確控制磁場方向，從而實現(xiàn)靈活的磁光測量。

憑借寬大且可配置的樣品空間以及靈活的光學(xué)通路，OptiCool 支持在可控溫度與磁場條件下進行光譜學(xué)、顯微學(xué)和材料表征等高級實驗配置。無磁體的 Flex 配置在低溫樣品臺以外提供額外的 4 K 平臺，用于額外冷卻組件，進一步拓展了實驗的靈活性。

此外Quantum Design中國子公司響應(yīng)國家號召，已實現(xiàn)了國產(chǎn)化的本地生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了MOKE&RMCD、Kerr顯微鏡、超快光譜、顯微拉曼&熒光、熒光壽命、瞬態(tài)吸收等多種功能的綜合光學(xué)測量系統(tǒng)，為國內(nèi)量子材料、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域科研提供國產(chǎn)化低溫強磁場條件光學(xué)實驗裝備支撐。

超精準全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺OptiCool

參考文獻：

[1]. Xiong, R., Guo, Y., Qin, C. et al. Observation of propagating collective spin–valley modes in twisted WSe?. Nat. Phys. 22, 877–883 (2026).

[2]. Liu, C., Li, Z., Hu, X. et al. Picosecond-scale coherent toggle switching of topological spin helicity. Nat. Nanotechnol. 21,      655–662 (2026).