激光混合体以超快的速度控制巨电流

圆偏振激光脉冲 （a-c） 与亨科姆激光脉冲 （d-f）。施加到二维材料二硒化钨上的圆偏振光波的矢量势在激光脉冲（a，b）之后不产生剩余电流，仅激发谷电荷态（c），其中所有激发态的布洛赫速度由于电荷激发位于谷中心（红线表示的布里渊区的顶点）而抵消。相反，在Hencomb脉冲中，圆偏振光波通过对称性破坏线性偏振太赫兹分量增强，产生明显的剩余电流（d，e），这导致对称性破坏将激发的电荷从谷中心移开（f），导致激发电荷分布上的电流不被抵消。虽然太赫兹脉冲本身不会导致激励，但结合圆偏振光，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。图片来源：Forschungsverbund Berlin e.V. （FVB）

物质的流动，从宏观的水流到电荷的微观流动，支撑着现代的大部分基础设施。在寻找能源效率，数据存储容量和处理速度方面的突破时，科学家们寻找控制物质量子方面流动的方法，例如电子的“自旋” - 它的磁矩 - 或它的“谷态”，在许多二维材料中发现的物质的新颖量子方面。

柏林Max Born研究所的一组研究人员最近发现了一种通过专门设计的激光脉冲在超快时间诱导和控制自旋和谷流流动的途径，为正在进行的下一代信息技术搜索提供了新的视角。

对物质基本量子自由度的超快激光控制代表了在建立定义我们当今时代的半导体电子学之外的未来信息技术时要应对的突出基础挑战。在这方面，两个最有希望的量子自由度是电子的自旋和“谷指数”，后者是与准粒子动量相关的二维材料的涌现自由度。

自旋电子学和谷电子学在数据处理速度和能源效率方面都比传统电子学具有许多潜在的优势。然而，虽然自旋激发受到自旋轨道诱导的自旋进动引起的动态特性损失的影响，但谷波函数代表了一个“数据位”，其稳定性仅受到间隔散射的威胁，这是一个可控的特征，即样品质量。因此，Valleytronics为超越传统电子产品提供了一个潜在的强大平台。

任何未来谷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外，还将驻扎在谷电流和自旋电流的控制和创建上。

然而，尽管人们一直关注在超快时间尺度上定制光形态以选择性激发谷准粒子的任务，但谷流和自旋电流的精确创建和控制 - 对于任何未来的谷电子学技术都至关重要 - 仍然超出了超快光控制的领域。

在最近发表在《科学进展》上的一项研究中，柏林Max Born研究所的一组研究人员展示了结合两种偏振类型的混合激光脉冲如何完全控制超快激光诱导电流。

圆偏振光对电荷态的控制现在已经确立，过渡金属硫族化合物的著名“自旋谷锁定”起源于对圆偏振光的谷选择性响应。这可以被视为源于涉及构成间隙边缘状态的d轨道的磁性量子数的选择规则。虽然圆偏振光激发谷值电荷，但它不会产生谷值电流。

这种情况的出现是，对于谷 kvalley 中每个被激发的准动量，相应的 kvalley 也被激发：因此，布洛赫速度抵消，并且没有净谷流。

因此，完全控制光诱导谷流及其大小和方向需要超越圆偏振光的自旋谷锁定范式。因此，产生一个确实导致净谷和自旋电流的谷激发态的产生必须涉及打破局部kvalley，即kvalley简并。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：这样的脉冲显然将在1 THz至50 THz的“太赫兹窗口”内

Hencomb光形式产生大量的残余（即在激光脉冲之后持续存在）电流。这是由于激发准动量的布洛赫速度没有抵消，因为激发电荷的分布现在正好偏离太赫兹脉冲的偏振矢量，偏离高对称K点。

亨梳脉冲作用示意图：（i）太赫兹光的半周期驱动带内运动，将状态从间隙边缘发送到间隙边缘;（ii）光学元件激发间隙上的状态;（iii）最后太赫兹光的后半周期使状态恢复到原来的动量。因此，亨梳脉冲的整体作用是在太赫兹脉冲极化矢量确定的有限谷动量下激发电荷。图片来源：Forschungsverbund Berlin e.V. （FVB）

支撑该脉冲作用的物理图示意性如下：Hencomb脉冲的太赫兹分量的半周期驱动带内运动，将状态从间隙边缘发送到间隙边缘。此时，圆极化分量激发间隙上的电荷，最后太赫兹分量的后半周期将电荷恢复到其原始动量。

以这种方式，电荷在准动量q下被激发，导价能差εc εv不等于圆偏振光能ħωcirc（因此不等于该光被调谐到的带隙）。太赫兹光分量的偏振矢量表示亨梳脉冲的关键控制参数，偏振方向和幅值分别决定了光感应电流的方向和幅值。以这种亨梳脉冲的方式表示直接光同时控制谷活性二维材料的电荷和当前状态的途径，为超快时间的谷电子学和自旋电子学提供了一条新的途径。

更多信息：Sangeeta Sharma等人，太赫兹诱导的巨大自旋和谷流，科学进展（2023）。DOI： 10.1126/sciadv.adf3673

期刊信息：科学进展