Лазер, магнит и ток без проводов экспресс
Тонкая плёнка из соединения висмута и селена лежит на подложке. По ней бьёт лазерная вспышка длительностью в миллионную долю миллиардной доли секунды. Рядом включён магнит, поле которого слабее, чем у магнитика на холодильнике. И в этот момент в плёнке сам собой возникает электрический ток, перпендикулярный магнитному полю.
Этот ток не течёт по проводам — его рождение фиксируют по испущенной терагерцовой волне, которая вылетает из образца. Чем сильнее магнитное поле, тем больше ток. Так ведут себя материалы с топологическими поверхностными состояниями: на их поверхности электроны движутся, как по скоростной магистрали, где направление движения жёстко связано со спином — собственным вращением электрона.
Когда лазерный импульс выбивает электроны из глубины плёнки, они летят к поверхности. Те, что со спином «вверх», накапливаются у одной грани, со спином «вниз» — у другой. Из-за жёсткой связи спина и направления движения это разделение зарядов превращается в ток вдоль поверхности. Магнитное поле управляет тем, как именно спин поворачивается по пути, поэтому ток и растёт с полем.
Но стоило добавить в материал всего четыре процента индия — и ток резко упал. Индий разрушает те самые поверхностные магистрали: электроны перестают быть привязаны к поверхности, и спиновая накачка исчезает. Это подтверждает, что ток рождается именно на поверхности, а не в толще плёнки.
Такой способ — свет, магнит, измерение волны — позволяет заглянуть в работу спин-зарядового преобразования без единого прикосновения к образцу. Для будущей электроники, где информацию переносит не только заряд, но и спин, это как рентген для материалов: видно, где спин теряется, а где работает исправно.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.01030
We study ultrafast magneto-photocurrents in a three-dimensional topological insulator. For this purpose, we excite (In$$_r$$Bi$$_{1-r}$$)$$_2$$Se$$_3$$ thin films with a femtosecond laser pulse in the presence of an external magnetic field $$B_{\text{ext}}$$ up to 0.3 T parallel to the film plane. The resulting in-plane photocurrent is measured by detecting the emitted terahertz (THz) electromagnetic pulse. It scales linearly with $$B_{\text{ext}}$$ and is perpendicular to $$B_{\text{ext}}$$. Strikingly, for $$r\ge$$4%, we observe an abrupt photocurrent reduction, which is strongly correlated with the Indium-induced quenching of the topological surface states. The rise time, decay time and amplitude of the THz magneto-photocurrent can consistently be explained by a scenario in which optically excited spin-polarized electrons propagate toward the film surface where the accumulated spin is converted into an in-plane charge current due to spin-velocity locking. Our results are highly relevant for contact-free probing of spin-charge conversion in systems with paramagnetic rather than spontaneous magnetic order.
Терагерцовое излучение, которое испускает образец, находится между инфракрасным светом и микроволнами. Оно проходит сквозь бумагу, одежду и пластик, но не через металл — поэтому его используют в сканерах безопасности в аэропортах.