激光誘導(dǎo)和評估電子材料中的深奧行為

一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直知道普通霍爾效應(yīng)，即洛倫茲力使電子偏轉(zhuǎn)并產(chǎn)生橫向霍爾電壓。簡而言之，電流在磁場中“彎曲”。在鐵等磁性材料中，這種效應(yīng)很強(qiáng)，并且被很好地理解為異常霍爾效應(yīng) （AHE）——異常大的霍爾電壓被施加的磁場飽和。然而，在銅或金等普通非磁性金屬中，這種效應(yīng)要弱得多。

從理論上講，一種稱為磁光克爾效應(yīng) （MOKE） 的相應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)該可以幫助科學(xué)家可視化光和磁場相互作用時(shí)電子的行為。但在可見光波長下，這種光學(xué)霍爾效應(yīng) （OHE） 太微妙而無法檢測到。OHE 主要在有效電子位移較大的太赫茲和紅外頻率下測量。

可以通過調(diào)制外部磁場來提高對克爾信號的靈敏度。然而，當(dāng)使用電磁鐵時(shí)，這只能在不切實(shí)際的低速率和振幅下完成。

現(xiàn)在，由希伯來大學(xué)（以色列）領(lǐng)導(dǎo)的多大學(xué)團(tuán)隊(duì)，以及魏茨曼科學(xué)研究所（以色列）、賓夕法尼亞州立大學(xué)（美國）和曼徹斯特大學(xué)（英國）的研究人員，已經(jīng)解決了這一困境。他們使用 440 nm、40 mW 激光器升級了 MOKE，以測量磁性如何改變光的反射。

他們將 440 nm 藍(lán)色激光器與外部磁場的大振幅調(diào)制相結(jié)合，顯著提高了該技術(shù)的靈敏度（圖 1）。結(jié)果：他們能夠拾取銅、金、鋁、鉭和鉑等非磁性金屬中的磁性“回波”——這是以前被認(rèn)為幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的信號中看似隨機(jī)的“噪聲”根本不是隨機(jī)的。相反，它遵循一種與稱為自旋軌道耦合的量子特性相關(guān)的明確模式。該特性將電子的移動方式與它們的旋轉(zhuǎn)方式聯(lián)系起來，這是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵行為。該技術(shù)提供了一種非侵入性、高度靈敏的工具，用于探索名義上非磁性金屬的磁性，但不需要大量磁體或低溫條件。它還能夠確定吉爾伯特阻尼參數(shù)。

這里有一些科學(xué)結(jié)論：埃德溫·霍爾（同名效應(yīng)）試圖使用光束測量這種特性，但他沒有成功。他在 1881 年的一篇論文的最后一句話中總結(jié)了他的努力：“我認(rèn)為，如果銀的作用是鐵的十分之一，那么這種效應(yīng)就會被檢測到。沒有觀察到這樣的效果。

這里有什么實(shí)際用途？與許多深度物理實(shí)驗(yàn)一樣，答案很簡單：我們不知道，至少現(xiàn)在還不知道。它可能——關(guān)鍵詞是“可能”——對磁存儲器、自旋電子器件甚至量子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。完整的細(xì)節(jié)在他們發(fā)表在《自然通訊》上的激烈而復(fù)雜的論文“可見波長下的敏感 MOKE 和光學(xué)霍爾效應(yīng)技術(shù)：對吉爾伯特阻尼的見解”中。

通過太赫茲光控制薄型半導(dǎo)體

比勒費(fèi)爾德大學(xué)和萊布尼茨固體與材料研究所（均位于德國）的物理學(xué)家開發(fā)了一種使用超短光脈沖控制原子薄半導(dǎo)體的方法。該項(xiàng)目可以為直接由太赫茲光以前所未有的速度控制的組件鋪平道路。

（請注意，這些研究人員將他們的太赫茲波稱為“光”，而許多工程師將它們視為射頻能量。當(dāng)然，太赫茲波和我們認(rèn)為的光能有一些光譜重疊。此外，由于兩者都是遵循麥克斯韋方程組的電磁波，因此使用術(shù)語“光”并沒有錯(cuò)，只是不尋常）。

科學(xué)家們能夠通過實(shí)驗(yàn)證明，可以使用光脈沖選擇性地改變材料的光學(xué)和電子特性。該技術(shù)允許在小于皮秒的時(shí)間尺度上實(shí)時(shí)控制電子結(jié)構(gòu)。

誘導(dǎo)此類場的傳統(tǒng)方法使用基于電子電路的門控技術(shù)，該技術(shù)僅限于微波響應(yīng)速率，并且在實(shí)現(xiàn)與設(shè)備兼容的超快速亞皮秒控制方面面臨挑戰(zhàn)。

該團(tuán)隊(duì)在嵌入混合 3D-2D 太赫茲納米天線中的原子薄二硫化鉬 （MoS2） 中使用了超快場效應(yīng)。該納米天線將入射太赫茲電場轉(zhuǎn)換為 MoS2 中的垂直超快門控場，同時(shí)將其增強(qiáng)到兆伏/厘米 （MV/cm） 水平（圖 2）。它不是場效應(yīng)晶體管 （FET）——至少目前還不是。

該團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)納米級天線來實(shí)現(xiàn)這種控制，該天線將太赫茲光轉(zhuǎn)換為 MoS? 等原子薄材料中的垂直電場。正如比勒費(fèi)爾德大學(xué)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼物理學(xué)教授 Dmitry Turchinovich 博士所解釋的那樣，“我們的方法使用太赫茲光本身在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生控制信號——從而實(shí)現(xiàn)了一種行業(yè)兼容、光驅(qū)動、超快的光電技術(shù)，這在以前是不可能的。

天線由頂部和底部兩個(gè)金電極組成，由 Al2O3 介電間隔層垂直隔開。電極水平位移，使其僅在天線的中間部分重疊，天線的橫向尺寸為 10 × 10 μm。該天線具有領(lǐng)結(jié)偶極子形狀，能夠?qū)拵ё杂煽臻g太赫茲場有效地耦合到其電極，并在亞波長天線中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的局部場增強(qiáng)。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)沉積在玻璃基板上。

激光是如何進(jìn)入這個(gè)故事的？MoS2中特征激子共振的時(shí)間分辨光譜與太赫茲泵浦光學(xué)探針（TPOP）一起使用。泵浦太赫茲場是通過在鈮酸鋰晶體中對持續(xù)時(shí)間為 100 fs 的 2 mJ、800 nm 激光脈沖進(jìn)行光學(xué)整流產(chǎn)生的。

這產(chǎn)生了頻率范圍為 0.2 至 2.5 THz、中心頻率為 0.4 THz 的寬帶單周期脈沖傳播到自由空間。然后將太赫茲波束聚焦并以法向入射指向天線。使用這種公認(rèn)的復(fù)雜布置，他們能夠確認(rèn)這些太赫茲波以這些速率翻轉(zhuǎn)了超薄材料的光學(xué)和電子特性，使該方案適合控制。

細(xì)節(jié)在他們的長篇論文中，標(biāo)題簡短而清晰，“二維半導(dǎo)體中的太赫茲場效應(yīng)”，也發(fā)表在《自然通訊》上。