[论文解读] Inverse Orbital Hall Effect Discovered from Light-Induced Terahertz Emission

Yong Xu, Fan Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 8

一句话总结

本研究通过飞秒激光脉冲在镍薄膜中产生超快轨道电流，实现了反轨道霍尔效应的实验验证，诱导相邻非磁性金属中产生瞬态电荷电流，从而产生可探测的太赫兹辐射。该工作建立了一种光驱动的全光学轨道电流生成与转换路径，为自旋电子学器件开辟了新途径。

ABSTRACT

Recent progress in orbitronics reveals the possibility of using orbit current as an information carrier. The interconversion between orbit currents and charge currents is crucial for orbit information processing. Although orbit currents can be created from charge currents via the orbital Hall effect, the conversion from orbit currents into charge currents has been observed only in very few systems due to the lack of a reliable orbit current source and the disturbance of the omnipresent inverse spin Hall effect. In this study, we show that ultrafast pulses of orbit current can be generated in Ni layers by femtosecond laser pulses. We demonstrate that, by injecting such orbit current pulses into nonmagnetic metals, a transient charge current is induced and emits terahertz electromagnetic pulses. The nonmagnetic metal layer acts as a converter of the orbit current into the charge current. The discovery of the generation and conversion of light-induced orbit current opens a new route for developing future orbitronic devices.

研究动机与目标

• 通过光致轨道电流注入后在非磁性金属中演示反轨道霍尔效应。
• 克服因反自旋霍尔效应占主导而导致难以探测轨道电流所引发的电荷电流的挑战。
• 建立一种利用超快激光激发生成与探测轨道电流的可靠方法。
• 通过太赫兹辐射验证轨道电流在非磁性材料中转换为电荷电流的过程。
• 通过利用光致轨道电流，开辟一种全新的全光学轨道电子学信息处理路径。

提出的方法

• 利用飞秒激光脉冲激发镍薄膜，通过光-物质相互作用产生超快轨道电流。
• 将生成的轨道电流脉冲注入相邻的非磁性金属层（如Pt或Ta），以诱导瞬态电荷电流。
• 通过测量产生的太赫兹电磁辐射作为电荷电流转换的特征信号。
• 采用时间分辨太赫兹光谱技术探测并表征瞬态电磁脉冲。
• 通过对照实验和材料对称性分析，区分轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的贡献。
• 分析发射太赫兹辐射的偏振态与时间轮廓，以确认其源于轨道电流转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过飞秒激光激发在过渡金属薄膜中产生超快轨道电流？
• RQ2 能否通过非磁性金属中的太赫兹辐射实验观测到反轨道霍尔效应？
• RQ3 镍中的轨道电流如何转换为相邻非磁性层中的瞬态电荷电流？
• RQ4 反自旋霍尔效应在多大程度上干扰轨道电流诱导信号的探测？
• RQ5 该全光学方法能否作为未来轨道电子学器件开发的可靠平台？

主要发现

• 通过飞秒激光激发，成功在Ni薄膜中产生超快轨道电流，其上升时间在数十飞秒量级。
• 将这些轨道电流注入非磁性金属后，诱导出可产生可探测太赫兹电磁脉冲的瞬态电荷电流。
• 观测到的太赫兹辐射归因于反轨道霍尔效应，经偏振与时间分辨测量得到证实。
• 信号幅度与时间轮廓与轨道电流转换为电荷电流的理论预期一致。
• 检测路径中无磁性材料，且自旋霍尔效应贡献被抑制，证实轨道电流效应占主导。
• 结果表明，该方法为生成与探测轨道电流提供了一种可行的全光学路径，为轨道电子学开辟了新途径。