激光技術的新突破似乎每天都見諸權威報道或學術論文，展現出一項又一項 “神奇應用”。這頗具諷刺意味 ——1960 年，Theodore H. Maiman 向媒體首次展示世界上第一臺紅寶石激光器時，當時已有些審美疲勞的記者曾調侃：“這是一個四處尋找問題來解決的答案。”

如今，答案早已不言而喻。激光及其衍生技術已成為標準工具，兼具關鍵性與靈活性，持續推動著科學、醫療、工業及消費電子領域的無數產品研發，從顯而易見的應用到前沿的突破性進展均有其身影。

近期兩項研究案例表明，激光正促使人們重新思考電子行業基礎材料的應用潛力。

探測 “非磁性” 金屬中的磁性信號

科學家們通過僅使用光和改良后的激光技術，在非磁性金屬中檢測到磁性信號，破解了一個困擾物理學界百年的謎題。這些此前無法探測的微弱磁性 “信號” 如今得以量化，揭示了電子行為的隱藏規律。

一個多世紀以來，科學家已發現普通霍爾效應（Ordinary Hall Effect）：洛倫茲力使電子發生偏轉，從而產生橫向霍爾電壓。簡單來說，電流在磁場中會發生 “彎曲”。在鐵等磁性材料中，這一效應表現為反常霍爾效應（AHE）—— 反常的大霍爾電壓會隨外加磁場達到飽和，其機制已被充分理解。然而，在銅、金等普通非磁性金屬中，該效應極為微弱，難以探測。

理論上，一種名為磁光克爾效應（MOKE）的對應現象，應能幫助科學家觀測光與磁場相互作用時的電子行為。但在可見光波段，這種光學霍爾效應（OHE）過于微弱，無法被檢測到。此前，光學霍爾效應主要在太赫茲和紅外波段進行測量，因為在這些波段電子的有效位移更大。

通過調制外加磁場可提高克爾信號的靈敏度，但使用電磁鐵時，調制速率和幅度均受限于極低水平，不具備實用性。

如今，由以色列希伯來大學（Hebrew University） 主導，聯合魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）、美國賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University） 及英國曼徹斯特大學（University of Manchester） 的研究團隊，成功解決了這一難題。他們采用一臺 440 納米、40 毫瓦的激光器對 MOKE 技術進行升級，用于測量磁性對光反射的影響。

研究團隊將 440 納米藍光激光器與大幅度外加磁場調制技術相結合，顯著提升了該技術的靈敏度（見圖 1）。最終，他們在銅、金、鋁、鉭和鉑等非磁性金屬中檢測到了磁性 “回波”—— 這一成果此前被認為幾乎不可能實現。

圖 1：普通霍爾效應、反常霍爾效應、磁光克爾效應與光學霍爾效應的類比

(a) 普通霍爾效應、AHE、MOKE 及 OHE 的類比關系；(b) 鐵磁 MOKE 實驗裝置示意圖（插圖：單個磁體的磁場線分布）；(c) 線偏振光場（y 方向）與外加磁場（Bz）作用下，x 方向感應橫向偏振的原理圖；(d) 樣品 - 磁體間距 l 為 1、3、5 毫米時測得的 Bz 時間輪廓（通過電動平移臺控制間距 l，同時利用鎖相放大器測量光電探測器的電壓降 VPD）。

研究團隊發現，信號中看似隨機的 “噪聲” 實則具有明確規律，與一種名為自旋軌道耦合（Spin-Orbit Coupling）的量子特性密切相關。該特性將電子的運動方式與其自旋狀態相聯系，是現代物理學中的關鍵電子行為。

這項技術提供了一種非侵入式、高靈敏度的工具，可用于研究名義上非磁性金屬的磁性，且無需大型磁體或低溫環境。同時，該技術還能測定吉爾伯特阻尼參數（Gilbert Damping Parameters）。

吉爾伯特阻尼（Gilbert Damping）

吉爾伯特阻尼描述了材料中磁化強度失去能量并弛豫至平衡狀態的速率。該物理量代表一種力矩，可驅動磁化矢量趨向有效磁場 H 的方向，其強度由阻尼常數表征。吉爾伯特阻尼在磁性系統及器件的自旋動力學中起著關鍵作用。

這一成果也填補了一項科學空白：霍爾效應的發現者 Edwin Hall 曾嘗試利用光束測量該特性，但以失敗告終。他在 1881 年的一篇論文結尾寫道：“我認為，若銀的作用強度達到鐵的十分之一，該效應就應能被檢測到。但實驗中并未觀測到任何此類效應。”

實際應用價值：與許多基礎物理實驗類似，其實際應用目前尚不明確。但有可能對磁存儲、自旋電子器件甚至量子系統的設計產生影響。該研究的完整細節發表于《自然?通訊》（Nature Communications）期刊，論文標題為《可見光波段高靈敏度磁光克爾效應與光學霍爾效應技術：吉爾伯特阻尼的研究進展》（A sensitive MOKE and optical Hall effect technique at visible wavelengths: insights into the Gilbert damping）。

利用太赫茲光控制超薄半導體

德國比勒菲爾德大學（Bielefeld University） 與萊布尼茨固體與材料研究所（Leibniz Institute for Solid State and Materials Research） 的物理學家開發出一種利用超短光脈沖控制原子級超薄半導體的方法。該研究有望推動實現由太赫茲光直接控制、速度達到前所未有的元器件。

注：研究人員將太赫茲波稱為 “光”，而許多工程師則將其視為射頻（RF）能量。事實上，太赫茲波與可見光波段存在部分重疊，且二者均為遵循麥克斯韋方程組的電磁波，因此將太赫茲波稱為 “光” 雖不常見，但并非錯誤。

科學家們通過實驗證明，利用光脈沖可選擇性地改變材料的光學和電子特性。該技術能夠在小于 1 皮秒的時間尺度上，對電子結構進行實時控制。

傳統方法通常采用基于電子電路的柵極技術來產生所需電場，但這種方法的響應速率受限，僅能達到微波頻段，且難以實現與器件兼容的超快、亞皮秒級控制。

研究團隊在嵌入混合 3D-2D 太赫茲納米天線的原子級超薄二硫化鉬（MoS?）中，利用了超快場效應。該納米天線可將入射太赫茲電場轉換為 MoS? 中的垂直超快柵極電場，同時將其增強至兆伏 / 厘米（MV/cm）量級（見圖 2）。目前，該結構尚不屬于場效應晶體管（FET）—— 至少尚未定型為 FET。

圖 2：納米天線將入射太赫茲電場轉換為 MoS? 中的垂直超快柵極電場

(a) 蝴蝶結天線區域的器件俯視示意圖；(b) 器件側視示意圖（圖 a 中 A-A 截面）；(c) 制備完成的器件顯微鏡圖像（虛線代表 MoS? 薄片，比例尺為 10 微米）；(d) 太赫茲泵浦 - 光探測（TPOP）實驗原理圖（紅色和綠色彎曲箭頭分別代表入射太赫茲場和光探測束；天線間隙中的直箭頭代表增強的太赫茲柵極場；藍色和紅色圓圈代表負、正電荷密度變化）；(e) 模擬的場增強效果（黑色虛線：測得的入射太赫茲場 Fx,in；紅色實線：由入射場計算得到的天線間隙柵極太赫茲場 Fz，兩條曲線水平偏移以顯示峰值均在 0 皮秒處）。

研究團隊通過設計納米級天線，將太赫茲光轉換為原子級超薄材料（如 MoS?）內部的垂直電場，從而實現了對材料的控制。比勒菲爾德大學物理學教授、項目負責人 Dmitry Turchinovich 博士解釋道：“我們的方法利用太赫茲光本身在半導體材料內部產生控制信號 —— 這使得一種兼容工業應用、由光驅動的超快光電子技術成為可能，而這在過去是無法實現的。”

該天線由上下兩個金電極組成，電極之間通過氧化鋁（Al?O?）介質間隔層垂直分隔。電極在水平方向上錯位排列，僅在天線中間區域重疊，重疊部分的橫向尺寸為 10×10 微米。天線采用蝴蝶結偶極子結構，能夠高效地將寬帶自由空間太赫茲場耦合至電極，并在亞波長天線間隙中產生強烈的局域場增強。整個天線結構沉積在玻璃襯底上。

激光技術的作用

研究中采用太赫茲泵浦 - 光探測（TPOP）技術，對 MoS? 中特征激子共振進行時間分辨光譜測量。其中，泵浦太赫茲場是通過在鈮酸鋰晶體中，對能量為 2 毫焦、波長 800 納米、脈寬 100 飛秒的激光脈沖進行光整流（Optical Rectification）產生的。

該過程生成了頻率范圍為 0.2 至 2.5 太赫茲、中心頻率 0.4 太赫茲的寬帶單周期脈沖，脈沖在自由空間中傳播。隨后，太赫茲光束被聚焦并垂直入射至天線上。盡管實驗裝置較為復雜，但研究人員通過該系統證實，太赫茲波能夠以相應速率翻轉超薄材料的光學和電子特性，表明該方案適用于高速控制。

該研究的詳細內容發表于《自然?通訊》（Nature Communications）期刊，論文標題簡潔明了：《二維半導體中的太赫茲場效應》（Terahertz field effect in a two-dimensional semiconductor）。