可见光波段高灵敏MOKE与光学霍尔效应技术揭示吉尔伯特阻尼与自旋轨道耦合关联

《Nature Communications》：A sensitive MOKE and optical Hall effect technique at visible wavelengths: insights into the Gilbert damping

本研究针对可见光波段光学霍尔效应(OHE)信号微弱难以检测的难题，开发了一种基于永磁体旋转调制的Ferris MOKE技术。通过在440 nm波长下测量Cu、Au、Al、Ta和Pt等非磁性金属，发现实验结果与洛伦兹-德鲁德模型部分吻合，揭示了等离子体动力学和带间跃迁的贡献。尤为重要的是，研究发现噪声幅度与金属的自旋轨道耦合强度呈正相关，且与这些金属诱导的吉尔伯特阻尼增强(αsp)显著关联，为利用光学技术测量自旋轨道耦合提供了新途径。

　　

在凝聚态物理和材料科学领域，磁光效应一直是研究材料电磁特性的重要手段。其中，磁光克尔效应(MOKE)作为铁磁材料表征的利器已被广泛应用，而其非磁性对应物——光学霍尔效应(OHE)在可见光波段的测量却长期面临挑战。这是因为在可见光区域，OHE信号极其微弱，通常比MOKE信号低几个数量级，使得传统检测方法难以捕捉到有效的信号响应。

这种技术瓶颈严重制约了科学家在光学频率下研究非磁性材料中电子输运特性、能带结构以及自旋轨道耦合等基础物理现象的能力。特别是在当前自旋电子学快速发展的背景下，迫切需要一种能够高灵敏度探测非磁性材料中自旋相关现象的光学技术。

针对这一难题，以色列希伯来大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，开发了一种名为Ferris MOKE的高灵敏度检测技术。该技术的核心创新在于采用永磁体旋转产生大振幅、高频率的磁场调制，取代了传统电磁调制方式的局限性，显著提高了信噪比，使可见光波段的OHE测量成为可能。

研究团队采用交叉偏振极值检测方案，使用440 nm激光器和高消光比偏振器组成光学系统。通过旋转磁盘上的永磁体产生沿?方向的调制磁场B_z(t)，利用锁相放大器检测光电二极管电压V_PD。实验测量了铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、钽(Ta)和铂(Pt)等五种金属薄膜的OHE响应，并与洛伦兹-德鲁德理论模型进行了系统对比。

技术方法上，研究主要采用Ferris MOKE技术实现大振幅磁场调制，通过交叉偏振极值检测方案测量光电二极管电压响应，结合锁相放大技术提高信噪比，并利用Jones矩阵理论分析磁光克尔角Φ_K。样品为直流磁控溅射生长的50 nm金属薄膜，采用范德堡方法进行电学表征。

Ferris MOKE技术与传统方法的比较

研究团队首先在坡莫合金(Py)上对比了Ferris MOKE与传统光调制MOKE的性能差异。结果显示，在最大消光交叉偏振配置下，两种技术测得的V_PD均随磁场强度呈二次方关系，但Ferris MOKE表现出更低的噪声基底。通过提取√V?_PD发现其与B_AC呈线性关系，且两种技术得到的斜率非常接近(a_Bmod^1/2,Py=90.5 mV^1/2/T与a_Lmod^1/2,Py=91.2 mV^1/2/T)，验证了Ferris MOKE的可靠性。

非磁性金属的光学霍尔效应测量

在铜薄膜的测量中，传统光调制MOKE因高噪声基底无法检测到明显信号，而Ferris MOKE则清晰显示出随B_AC的二次方依赖关系。提取的a_Bmod^1/2,Cu=7.88 mV^1/2/T与Py的比值约为11.48，与直流输运测量中铁磁材料霍尔电压通常比非磁性金属高约10倍的普遍认知相符。

理论模型与实验验证

基于牛顿力学框架，研究团队建立了OHE的理论模型，描述了金属中电子在电磁场作用下的运动方程。模型考虑了等离子体共振频率ω_p和德鲁德散射时间τ的影响，推导出横向反射电场E_x^r与外加磁场的定量关系。理论预测表明，在等离子体频率以下的光学频率区域，克尔旋转角|Φ_K|应与B_z呈线性关系。

多种金属的OHE响应对比

研究团队系统测量了Cu、Au、Al、Ta和Pt五种金属的OHE响应，提取的a_Bmod^1/2值分别为：7.88、8.18、6.99、8.94和12.36 mV^1/2/T。对应的|Φ_K|在10^-1mdeg量级，与已有报道相符。通过与洛伦兹-德鲁德理论模型对比发现，该模型能正确预测Ta的相对OHE响应，但无法同时准确描述Au、Cu和Al的结果，表明需要更完善的模型来考虑等离子体动力学和带间跃迁的贡献。

噪声与自旋轨道耦合的关联

研究中最引人注目的发现是OHE测量中的噪声幅度与金属的自旋轨道耦合强度存在明显关联。较重金属(Ta、Pt)的噪声明显比较轻金属(Cu)更大。通过提取噪声信号的均方根值√V?_RMS并归一化处理后，发现√V?_RMS,norm与这些金属在YIG/非磁性金属双层结构中诱导的吉尔伯特阻尼增强α_sp^YIG呈显著线性相关(R²=0.997)。在Py基双层结构中也观察到类似趋势(R²=0.947)，验证了这一发现的普适性。

研究结论表明，Ferris MOKE技术成功实现了可见光波段光学霍尔效应的高灵敏度测量，为研究非磁性材料中的电子输运和自旋现象提供了强大工具。实验数据与理论模型的对比揭示了现有理论在描述等离子体动力学和带间跃迁方面的局限性。最重要的是，噪声幅度与自旋轨道耦合强度的关联性表明，光学辐射与自旋的相互作用通过自旋轨道耦合介导，电磁噪声源于光学与自旋的相互作用。

这一发现不仅深化了对自旋轨道耦合作用下光-自旋相互作用的理解，还为光学方法测量自旋轨道耦合参数开辟了新途径。该技术无需物理接触，具有非侵入性、高时空分辨率等优势，适用于各种材料体系，包括半导体、二维材料和拓扑材料等，有望在基础研究和应用开发中发挥重要作用。特别是在自旋电子学、量子信息和能量转换等领域，这种光学探测方法为解决关键物理问题提供了新的实验手段。