新一代自旋电子器件登Nature子刊， Lake Shore 8600系列振动样品磁强计提供核心实验数据！

2025-09-04 10:43:59, Horton 清砥量子科学仪器（北京）有限公司

在具有强自旋轨道耦合的非磁性材料领域，一项重大突破正引领自旋电子器件迈向新纪元。通过自旋霍尔效应（Spin Hall Effect，SHE）以及自旋哈利效应和Rashba-Edelstein效应（REE）所产生的非平衡自旋累积，电荷电流可以产生纯自旋电流。这一电荷驱动自旋转换（Charge-to-Spinconversion ,CSC）机制为自旋轨道力矩（SOT）磁存储器及振荡器等的研发开辟了新路径。

传统自旋电子器件材料中，电荷电流、自旋电流和自旋极化方向受限于晶体对称性，必须保持正交关系，这极大制约了自旋电子器件内部自旋电流对磁距的有效调控。然而，最新研究显示，低对称性二维拓扑材料，如碲化钼（MoTe₂）和二碲化钨（WTe₂），可承载非正交的电荷驱动自旋转换效应，展现出下一代自旋电子器件材料的巨大潜力。

近期，加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的Adam W. Tsen团队，采用创新的局部自旋敏感电化学电势测量法，成功探测了碲镉锰铝薄片中空间依赖性非平衡自旋积累，精度直至四个原子层。实验结果不仅清晰区分了自旋霍尔效应和Rashba-Edelstein效应的贡献，还揭示了大量非常规自旋极化的存在，这些极化在样品主体和边缘随着厚度的增加而呈现出特有的发展模式。研究团队还通过ab-initio 演化计算，构建了对所有观察到的 CSC 成分与材料尺寸和堆叠排列关系的统一规律，为未来利用这类二维拓扑材料的局部和层依赖自旋特性的器件提供了重要理论依据。该成果以《Direct observation of distinct bulk and edge nonequilibrium spin accumulation in ultrathin MoTe₂》为题，发表在Nature Communications上^[1]。

图1 在二氧化钛(MoTe₂)薄片上进行自旋累积测量的概念和演示

图2 MoTe₂ 的位置依赖性自旋累积测量

图3 2.8nm（四层）MoTe₂ 中不同的主体和边缘自旋极化

图4 各种自旋极化信号的厚度依赖性和 CSC 成分的 DFT 计算

本文中，作者借助了美国知名低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.新推出的8607振动样品磁强计，对MoTe₂样品薄膜的磁性进行了精准表征，为整个研究工作提供了准确、清晰和直观的实验对比数据。

LakeShore 8600系列VSM：超卓性能，赋能科研

LakeShore 8600系列VSM，在继承7400系列VSM成熟设计的基础上，进行了全面优化升级，旨在提升产品性能与用户体验。该系列设备在测量元件和操作部件上均实现了创新突破，不仅显著提升了灵敏度与磁场分辨率，还极大地增强了设备的操作性。

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主机部分

Lakeshore 8600系列VSM

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✔ 更优异的性能

8600系列VSM采用创新设计，在降低测量噪声的同时还提高了采样速度。系统具有15 nemu的超高灵敏度、1 mOe的磁场分辨率、自带10000 Oe/s的超快磁场变化率和高达10ms/pt的数据采集速度，绘制一个完整的磁滞回线只需30秒。

100ms/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值119.5 nemu - 800 nemu（左）；10s/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值13 nemu - 50 nemu（右）

✔ 更人性化的操作

8600系列产品升级的另一个核心是设备的可操作性。Lake Shore公司将自研的QuickLIGN™安装组件内置于该系列产品中，极大地简化了样品安装和更换的流程，单手即可完成操作。同样，QuickLIGN™安装组件与8600系列VSM的所有变温选件兼容，使得安装和配置温度选件5分钟内即可完成。

此外，8600系列的VSM磁体内置了ExactGAP™功能，设置了6个可重复的固定间隙，无需进行重新校准。

QuickLIGN™安装组件（左）

ExactGAP™可重复磁极间隙调整功能（右）

✔ 更强大的操作软件

8600系列VSM 配备了全新的测量软件，界面简单，只需几步操作即可实现设置、执行程序、实验测量和数据处理等功能。软件包含一个完整的脚本引擎，用户可以使用提供的标准协议脚本或自行创建脚本，设定自定义实验条件进行测量。

当与变温选件(86-OVEN， 86-CRYO，或86-SSVT)联用时，该软件可以自动检测接入系统的变温选件，并与集成的705气体控制器配合使用，从而在4.2 K~1273 K的整个温区中提供自动化的VSM测量。

系统软件还具备处理扩展和补偿数据、校准退磁和斜率因子、规范样品质量和体积、从测量数据中修正及扣除衬底数据以及计算及显示导数曲线等功能，进一步提升了实验的准确性和效率。

8600系列VSM操作软件界面

✔ 一阶反转曲线功能FORC

一阶反转曲线(FORC)是一种新型磁学测量方法，主要适用于测量含有诸多磁性矿物的自然样品，确定磁性矿物矫顽力的分布以及磁性矿物颗粒之间磁相互作用的强弱，帮助区分磁性矿物的种类和磁畴转换。FORC测量需要较高的磁场变化率和数据采集速率，8600系列VSM的标配系统自带FORC测量功能，可以满足测量参数的需求。

一阶反转曲线（FORC）测量数据

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变温选件

Lakeshore的8600系列VSM配备了三种不同的变温选件：SSVT一体化变温选件、CRYO低温恒温器选件和Oven高温选件，以满足不同的温度需求。变温选件采用GlideLOCKTM设计，软件可以自动检测变温选件的安装，操作十分简便。

GlideLOCKTM变温选件和温度控制器

Lakeshore VSM变温选件温度范围

SSVT一体化变温选件：100 - 950K（左）；低温恒温器变温选件 4.2-450K（中）Oven高温炉选件：303-1273K（右）

矢量线圈组件

Lakeshore 8600系列VSM同样提供了矢量线圈组件，配合振动头的旋转功能，可以进行磁性材料各向异性测量表征，从而确定其矢量磁化分量和电感张量。矢量线圈组件可以进行室温测量，也可以与变温选件联用进行变温测量。

室温矢量测量（左）；与SSVT选件联用的变温矢量测量（右）

关于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：

美国Lake Shore公司（www.lakeshore.com）是知名的极端温度和磁场条件下高精度测量和控制解决方案的创新者。主要产品包括低温探针台、振动样品磁强计、霍尔效应测量系统、M81同步源测量系统、Janis系列低温恒温器、低温控温仪、低温温度传感器、高斯计及霍尔传感器等。Lake Shore公司一直致力于推动科学发展，其产品解决方案不断创新，应用领域从物理实验室到深太空科学探索不断发展。