国家重大科研仪器“太赫兹近场高通量材料物性测试系统” 投入运行

自2024年7月27日通过国家自然科学基金委员会组织的专家组验收，国家重大科研仪器“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”开始投入运行。该自主研制装置为世界首套多场条件下的太赫兹近场测试系统（装置实物照片如图一所示），可实现复杂条件下原子分辨的电子态、磁态等调控及成像测量。运行5个月以来，项目团队组织了国内相关专家进行了讨论，初步确定了面向多学科用户群体专项开放的运行模式，确定了面向量子材料、能源材料、生命科学、微电子芯片、软物质等方向的初步实验课题。开放运行以来，已经观测到室温及矢量磁场条件下太赫兹驱动的原子及电荷密度波成像（图二）。

图一 预聚束可调谐太赫兹激光&低温强磁场下太赫兹近场测试终端

图二 多场下的太赫兹驱动原子分辨成像

该太赫兹近场高通量材料物性测试装置由复合光源、传输光路、多物理场、近场探测、中央控制及通用系统等构成，具有可调谐预聚束太赫兹激光光源和宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描、大口径矢量磁体等核心技术。该装置可提供频率连续可调的预聚束可调谐太赫兹激光、高重复频率的宽谱太赫兹源和7fs超短可见光激光复合光源，以及低温、强矢量磁场下原子分辨太赫兹近场测试终端。

该装置总负责人、中国科学技术大学陆亚林杰出讲席教授介绍说：“我们成功自主研发了世界上首套液氦低温、9T+5T矢量磁场、多波长复合光源的太赫兹近场测试系统，这为多场调控下实现功能材料物性的微观起源机理研究铺平了道路。”

装置验收时，验收专家组认为，陆亚林教授带领项目组历时七年，克服了前沿技术挑战和国际贸易形势变化所带来的困难，攻坚克难，成功研制了太赫兹近场高通量材料物性测试系统。同时一致认为该装置项目组突破了一系列技术难点，包括突破了传统需要在100K左右低温和真空才能实现的瓶颈，首次获得室温大气环境下的原子分辨太赫兹隧道电流成像；突破了多场条件集成技术瓶颈，首次获得低温强磁场下的原子分辨太赫兹近场隧道电流成像；突破了冷壁贯穿孔光学兼容技术瓶颈，成功研制出大口径超导矢量磁体，参数显著高于国际已有矢量磁体；突破了预聚束电子束团串激发0.5-5 THz相干辐射、轻量化固定磁极间隙波荡器、电控偏振分合束激光脉冲串成型光路等技术瓶颈，研制出紧凑型可调谐太赫兹激光器系统，实现了激光中心频率大范围调节。验收专家组对项目研制工作给予了高度评价。

研制过程中，该装置相关技术已被应用于拓扑材料、人工磁结构等测量，包括在超薄氧化物薄膜异质结中测得了斯格明子并具有规模化特性；观测到具有平带结构中的长程铁磁序；实现笼目晶格中本征磁结构的直接观测（如图三所示）；在磁阻薄膜中实现了可控磁性莫尔条纹；确立了拓扑克尔效应作为磁斯格明子结构的新机制（如图四所示）。

图三 首次实现笼目晶格中本征磁结构的直接观测。发现一种新型拓扑破缺的磁阵列结构。

 图四 5 K温度下CrVI₆材料中磁性结构随着磁场变化的图像：在施加面外磁场时，磁结构从条纹形状演变为圆形形状。这种演化行为是斯格明子形成的强烈迹象。