在凝聚態物理的前沿探索中，理解量子材料在低溫強磁場下的超快動力學，是揭示其拓撲性、關聯性及非平衡態物理本質的關鍵。超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺OptiCool，憑借其全干式、全開放、超低振動及多窗口光學訪問的設計，已成為全球實驗室開展此類研究的重要工具。近期發表于 Nature Physics 和 Nature Nanotechnology 的兩項重磅成果，生動展示了OptiCool系統在時空分辨超快成像與超快磁光光譜學領域的革命性應用價值。

一、 突破電學輸運局限：第一次直接觀測轉角WSe?中谷間相干態的集體激發模式

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

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

圖注：多種不同的自旋-谷激發模式的時空成像（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；而平衡態的MCD隨磁場單調增大。

研究的核心實驗發現是，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內即抵達樣品邊界，其行為與IVC態破缺谷U(1)對稱性所產生的無能隙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。

實驗明確區分出GoldStone模與Higgs模兩類集體激發，驗證了谷間相干態的物理模型，補齊了平帶體系中長期缺失的中性模式觀測證據。這一“一快一慢、Sz反號”的雙模式結構，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”凝聚態轉化為正常成分，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聯，揭示其與超流體集體激發的相似性，為關聯量子物態的類比研究提供新思路，也為轉角二維材料、谷物理與強關聯體系的后續研究奠定實驗基礎，為探索拓撲量子物態、調控中性激發輸運提供重要物理參考。

在這一系列突破性發現中，OptiCool系統發揮了核心支撐作用：

• 為復雜光路提供“自由舞臺”：研究需要同時引入線狀泵浦光和寬場探測光，并實現對自旋-谷極化的選擇性探測（磁光克爾效應MOKE/反射磁圓二色RMCD）。OptiCool多達8個光學窗口（7個側面+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雜光路，不受限于傳統密閉式低溫系統的狹窄空間。

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

二、拓撲自旋螺旋度在皮秒尺度的可逆相干切換

傳統磁存儲與計算依賴于磁矩的“0”和“1”二元態切換，已日益逼近其物理極限。磁渦旋、磁斯格明子等拓撲自旋結構，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、實現高密度高速信息處理的關鍵候選者。傳統磁場、電流、電場等調控方式，需通過偏移渦旋核實現低頻進動切換，不僅速度遲緩，且易破壞自旋拓撲完整性，導致調控失序、可控性差。

針對這一痛點，南開大學付學文教授團隊深耕八年，創新性地提出了“面外磁場輔助飛秒激光脈沖”調控策略，第一次在納米磁渦旋中實現了拓撲自旋螺旋度的皮秒級、相干、無損翻轉開關。在這篇發表于 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射4D超快透射電子顯微鏡，結合時間分辨磁光克爾效應測量，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，切換速度較傳統方法提升一個數量級，且全程保留磁渦旋本征拓撲構型與對稱性，實現了真正意義上的非接觸式無損相干調控。

圖注： 磁渦旋拓撲螺旋度相干調控新策略、原位實驗結果及切換過程能壘變化

圖注：不同磁場下飛秒激光調控磁渦旋拓撲螺旋度不同類型翻轉的動力學模擬

該工作的核心實驗發現與理論機制可總結如下：

• 理論模型：飛秒激光的光熱退磁效應可瞬時重塑渦旋態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生相干進動，從而實現螺旋度的超快切換。

• 磁場調控的動力學：微磁模擬復現了實驗中隨面外磁場增加，系統依次經歷確定性翻轉 → 隨機翻轉/多核態 → 確定性不翻轉的完整相圖。

圖注：磁渦旋確定性不翻轉的自旋動力學過程

研究團隊利用OptiCool平臺的時間分辨磁光克爾效應（TR-MOKE）測量功能，對相干螺旋度確定性不翻轉動力學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測的相干進動行為相符，從超快光學響應的角度確認了拓撲自旋螺旋度切換過程發生在約270 ps的時間尺度上。這一測量為4D超快電鏡的核心發現提供了互補性的、強有力的實驗支撐。

結語：開啟非平衡態量子物質研究的新范式

上述兩項發表于Nature子刊的工作，深刻凸顯了OptiCool平臺在推動超快凝聚態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（MOKE）、反射磁圓二色（RMCD）、超快泵浦-探測等多種先進光譜技術，實現了從靜態光譜到動態成像的全面測量能力。正因如此，OptiCool已助力全球數百個實驗室在低溫強磁場條件下取得突破性成果，發表在 Science、Nature 系列等期刊上的重要工作已接近百篇。可以預見，隨著OptiCool平臺的持續發展與功能拓展，它必將在揭示量子材料中隱藏的電荷-自旋-谷耦合動力學、推動拓撲電子學與量子技術發展中扮演愈發關鍵的角色。

OptiCool低溫強磁場光學的理想研究平臺

OptiCool系統提供標準 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 低溫光學系統可實現從 350 K 至 1.7 K 的全自動降溫和精確溫度控制，并具備高精度光學測量所需的高穩定性、低振動性能。7 T配置和矢量磁體配置的一體化磁體設計將樣品置于光學環境的中心，能夠實現無遮擋、多方向的光學通道，矢量磁體還可精確控制磁場方向，從而實現靈活的磁光測量。

憑借寬大且可配置的樣品空間以及靈活的光學通路，OptiCool 支持在可控溫度與磁場條件下進行光譜學、顯微學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中國子公司響應國家號召，已實現了國產化的本地生產，并在此基礎上研發了MOKE&RMCD、Kerr顯微鏡、超快光譜、顯微拉曼&熒光、熒光壽命、瞬態吸收等多種功能的綜合光學測量系統，為國內量子材料、凝聚態物理等領域科研提供國產化低溫強磁場條件光學實驗裝備支撐。

超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺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).