激光誘導和評估電子材料中的深奧行為
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似乎幾乎每天都有一份可靠的報告或?qū)W術(shù)論文詳細介紹了激光實現(xiàn)的另一種“技巧”（請注意，我的意思是積極、有益的意義上的“技巧”）。這很諷刺，因為當西奧多·邁曼 （Theodore H. Maiman） 于 1960 年向媒體（當時的稱呼，現(xiàn)在被稱為“媒體”）展示第一臺紅寶石（光學）激光時，有些厭倦的記者打趣說激光是“尋找要解決的問題的解決方案”。
好吧，我們現(xiàn)在知道結(jié)果如何了。激光及其多種表現(xiàn)形式現(xiàn)在已成為標準工具。它們既重要又靈活，繼續(xù)推動科學、醫(yī)學、工業(yè)和消費品領(lǐng)域的無數(shù)產(chǎn)品和發(fā)展，從顯而易見的到前沿的深奧進步。
最近的兩個例子表明，激光如何讓我們重新思考電子行業(yè)使用的基本材料的可能性。
看到“非磁性”金屬的磁性
科學家們通過僅使用光和改進的激光技術(shù)檢測非磁性金屬中的磁信號，破解了一個百年之久的物理學之謎。這些微弱的磁性“耳語”以前無法檢測到，現(xiàn)在可以測量，揭示了隱藏的電子行為模式。
一個多世紀以來，科學家們一直知道普通霍爾效應，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，這種效應很強，并且被很好地理解為異?；魻栃?nbsp;（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，這種效應要弱得多。
從理論上講，一種稱為磁光克爾效應 （MOKE） 的相應現(xiàn)象應該可以幫助科學家可視化光和磁場相互作用時電子的行為。但在可見光波長下，這種光學霍爾效應 （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，當使用電磁鐵時，這只能在不切實際的低速率和振幅下完成。
現(xiàn)在，由希伯來大學（以色列）領(lǐng)導的多大學團隊，以及魏茨曼科學研究所（以色列）、賓夕法尼亞州立大學（美國）和曼徹斯特大學（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”——這是以前被認為幾乎不可能實現(xiàn)的壯舉。
希伯來大學 該團隊發(fā)現(xiàn)，他們的信號中看似隨機的“噪聲”根本不是隨機的。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)代物理學中的一個關(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)。
1. （a） 普通霍爾效應、AHE、MOKE 和 OHE 之間的類比。（b） 摩天 MOKE 實驗裝置。插圖：單個磁鐵的磁場線圖。（c） 由于y中的線性偏振光場和外部施加的磁場Bz，在x中誘導橫向偏振的示意圖。（d） l = 1、3 和 5 mm 的 Bz 測量時間剖面（電動平移級控制樣品-磁體距離 l，而光電探測器上的壓降 VPD 使用鎖相放大器測量）。
吉爾伯特阻尼
吉爾伯特阻尼描述了材料中的磁化強度損失能量并弛豫至平衡的速率。該項表示驅(qū)動磁化矢量朝有效磁場 H 方向方向的扭矩，其強度由阻尼常數(shù)給出。吉爾伯特阻尼在磁系統(tǒng)和器件的自旋動力學中起著關(guān)鍵作用。
這里有一些科學結(jié)論：埃德溫·霍爾（同名效應）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：“我認為，如果銀的作用是鐵的十分之一，那么這種效應就會被檢測到。沒有觀察到這樣的效果。 這里有什么實際用途？與許多深度物理實驗一樣，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)計產(chǎn)生影響。完整的細節(jié)在他們發(fā)表在《自然通訊》上的激烈而復雜的論文“可見波長下的敏感 MOKE 和光學霍爾效應技術(shù)：對吉爾伯特阻尼的見解”中。 比勒費爾德大學和萊布尼茨固體與材料研究所（均位于德國）的物理學家開發(fā)了一種使用超短光脈沖控制原子薄半導體的方法。該項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。當然，太赫茲波和我們認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，只是不尋常）。 科學家們能夠通過實驗證明，可以使用光脈沖選擇性地改變材料的光學和電子特性。該技術(shù)允許在小于皮秒的時間尺度上實時控制電子結(jié)構(gòu)。 誘導此類場的傳統(tǒng)方法使用基于電子電路的門控技術(shù)，該技術(shù)僅限于微波響應速率，并且在實現(xiàn)與設(shè)備兼容的超快速亞皮秒控制方面面臨挑戰(zhàn)。 該團隊在嵌入混合 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。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，同時將其增強到兆伏/厘米 （MV/cm） 水平（圖 2）。它不是場效應晶體管 （FET）——至少目前還不是。 該團隊通過設(shè)計納米級天線來實現(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。正如比勒費爾德大學的項目負責人兼物理學教授 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體材料內(nèi)產(chǎn)生控制信號——從而實現(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現(xiàn)強大的局部場增強。整個天線結(jié)構(gòu)沉積在玻璃基板上。 激光是如何進入這個故事的？MoS2中特征激子共振的時間分辨光譜與太赫茲泵浦光學探針（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)時間為 100 fs 的 2 mJ、800 nm 激光脈沖進行光學整流產(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。使用這種公認的復雜布置，他們能夠確認這些太赫茲波以這些速率翻轉(zhuǎn)了超薄材料的光學和電子特性，使該方案適合控制。 細節(jié)在他們的長篇論文中，標題簡短而清晰，“二維半導體中的太赫茲場效應”，也發(fā)表在《自然通訊》上。通過太赫茲光控制薄型半導體
2. （a） 領(lǐng)結(jié)天線部分周圍設(shè)備的俯視圖示意圖。（b） 設(shè)備的側(cè)視圖示意圖（a 的 A-A 部分）。（c） 制造設(shè)備的顯微鏡圖像。虛線代表 MoS2 薄片。比例尺對應于10μm。（d）太赫茲泵浦光學探針實驗示意圖。紅色和綠色彎曲箭頭分別代表入射太赫茲場和光學探針。天線間隙中的直箭頭表示增強的太赫茲門控場。藍色和紅色圓圈代表負電荷密度和正電荷密度變化。（e） 模擬場增強。黑色虛線：測量的入射太赫茲場 Fx，in。紅色實線：天線間隙 Fz 中的門控太赫茲場，根據(jù)測量的入射太赫茲場 Fx，in 進行數(shù)值計算。走線和水平偏移，以顯示兩個信號在0 ps處的峰值。
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