激光光混合器在超快时间内控制巨大的电流

2024-06-11

激光光混合器在超快时间内控制巨大的电流

圆偏振激光脉冲(a-c)与亨克姆激光脉冲(d-f)。应用于二维材料二硒化钨的圆偏振光波的矢量电位在激光脉冲(a,b)之后没有产生任何剩余电流,仅仅激发了谷底电荷状态,(c),由于电荷激发位于谷底中心(红线所示的布里渊区的顶点),所有激发状态的布洛赫速度抵消。相比之下,一个亨克姆脉冲,其中圆极化的光波被一个打破对称的线性极化的太赫兹分量所增强,产生一个明显的剩余电流(d,e),这是因为对称性的打破将激发的电荷从谷底中心移开(f),导致在激发的电荷分布上的电流不被取消。虽然太赫兹脉冲本身没有导致激励,但与圆偏振光相结合,太赫兹偏振矢量和振幅是完全控制最终电流状态的关键参数。资料来源:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

物质的流动,从宏观的水流到微观的电荷流动,支撑着现代社会的许多基础设施。在寻求能源效率、数据存储能力和处理速度方面的突破时,科学家们寻找方法来控制物质的量子方面的流动,如电子的 "自旋"--其磁矩或其 "谷态",这是许多二维材料中发现的物质的一个新的量子方面。

柏林马克斯-波恩研究所的一个研究小组最近发现了一条路线,可以用专门设计的激光脉冲在超快时间内诱导和控制自旋和谷底电流的流动,为正在进行的对下一代信息技术的探索提供了一个新的视角。

超快激光对物质的基本量子自由度的控制代表了在建立未来信息技术时需要应对的突出的基础性挑战,这些技术超越了定义我们现在的半导电子技术。在这方面,两个最有前途的量子自由度是电子的自旋和 "谷底指数",后者是二维材料中出现的与准粒子动量相关的自由度。

在数据操作速度和能源效率方面,自旋电子学和谷底电子学都比经典电子学有许多潜在的优势。然而,虽然自旋激发遭受到自旋轨道诱导的自旋预演所带来的动态特性的损失,但谷底波函数代表了一个 "数据位",其稳定性仅受到间隔散射的威胁,这一特性可由样品质量控制。因此,谷电子学为超越经典电子学提供了一个潜在的强大平台。

在任何未来的谷底电子学或自旋电子学技术的核心,除了编码数据位的量子激发之外,还包括谷底电流和自旋电流的控制和创造。

然而,尽管人们一直关注在超快时间尺度上定制光形以选择性地激发谷类粒子的任务,但谷电流和自旋电流的精确创造和控制--对任何未来的谷电子技术都是至关重要的--仍然超出了超快光控制的范畴。

在最近发表在《科学进展》上的一项研究中,来自柏林马克斯-伯恩研究所的一个研究小组表明,结合两种偏振类型的混合激光脉冲如何能够完全控制超快激光-光诱导的电流。

圆偏振光对电荷状态的控制现在已经得到了很好的证实,过渡金属二钙化物著名的 "自旋谷锁定 "就是源于对圆偏振光的谷底选择性反应。这可以被看作是产生于涉及构成间隙边缘状态的d-轨道的磁量子数的选择规则。虽然圆偏振光激发了谷底电荷,但是它并没有产生谷底电流。

这种情况的出现是由于谷底kvalley中的每个准动量被激发,相应的-kvalley也被激发:布洛赫速度因此抵消,没有净谷底电流。

因此,要完全控制光诱导的谷电流,其大小和方向,需要超越圆偏振光的自旋-谷锁定范式。因此,创造一个确实导致净谷和自旋电流的谷底激发态必须涉及到打破当地的k谷、-k谷退能性。由于激光矢量势直接耦合到晶体准动量,k→k-A(t)/c,最有效的方法是通过线性偏振单周期脉冲,其持续时间与圆偏振脉冲相当:这样的脉冲显然是在1太赫兹到50太赫兹的 "太赫兹窗口"。

氦气光形产生大量的剩余(即在激光脉冲后持续存在)电流。这是因为受激准动量的布洛赫速度没有被取消,因为受激电荷的分布现在正好被太赫兹脉冲的偏振矢量从高对称性的K点移开。

激光光混合器在超快时间内控制巨大的电流

氦气脉冲的作用示意图:(i)半个周期的太赫兹光驱动带内运动,将远离间隙边缘的状态送到间隙边缘;(ii)光学元件激发跨越间隙的状态;(iii)最后,第二个半周期的太赫兹光将状态返回到其原始动量。因此,子午线脉冲的整体作用是在由太赫兹脉冲偏振矢量决定的有限谷值动量处激发电荷。资料来源:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

支撑这个脉冲作用的物理图景是这样示意的:半周期的赫兹脉冲的太赫兹成分驱动带内运动,将远离间隙边缘的状态送到间隙边缘。在这一点上,圆极化的成分激发这个电荷穿过间隙,最后,太赫兹成分的第二个半周期使电荷回到它的原始动力。

在这种方式下,电荷被激发在一个准动量q,其传导-价能差,ϵc - ϵv,不等于圆偏振光的能量ℏωcirc(因此不等于该光被调整的带隙)。太赫兹光成分的偏振矢量代表了亨克夫脉冲的关键控制参数,偏振方向和振幅分别决定了光诱导电流的方向和振幅。这样的亨康姆脉冲代表了一条直接控制电荷和电流状态的途径,同时也是对谷底活性二维材料的控制,为超快时间的谷底电子学和自旋电子学提供了一条新途径。

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