霍爾效應描述了電荷載流子在垂直於電場和磁場的方向上發生偏轉的現象。在具有破缺時間反演對稱性的材料中,例如鐵磁體,霍爾電阻率會出現額外的貢獻,稱為反常霍爾效應。
本研究使用飛秒雷射脈衝激發塊狀砷化鎵樣品,並通過時間分辨測量同步發射的太赫茲輻射來研究反常霍爾電流。實驗在低溫(10 K)和強磁場(高達 7 T)條件下進行,並通過改變激發光子的能量和磁場強度來觀察反常霍爾電流的變化。
研究發現,當激發光子能量與價帶和導帶朗道能級之間的光學躍遷能量相匹配時,反常霍爾電流會出現峰值。這些離散特徵歸因於幾何相位對半導體能帶結構中反常輸運效應的影響。令人驚訝的是,即使在室溫下也能觀察到這些離散的朗道能帶躍遷,這很可能是由於實驗中實現了超快局部探測。
基於玻爾茲曼輸運方程建立的理論模型表明,電子和電洞的貢獻導致了複雜的電流動力學。電子的迴旋運動導致反常霍爾電流的太赫茲光譜響應出現下降,而正常霍爾電流的光譜響應則出現峰值。此外,實驗結果強烈表明,價帶的朗道能級在反常霍爾電流的產生中起著重要作用。
本研究觀察到塊狀砷化鎵中反常霍爾電流的離散朗道躍遷特徵,並通過理論模型解釋了其產生機制。這些發現有助於進一步理解朗道能級中發生的外在效應和內在效應,並為在不同類型的半導體中設計反常霍爾效應提供了新的思路,以期在室溫下觀察到反常霍爾電流的量子變體。
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