激光揭示了金、铜、铝的新特性

长期存在的谜题：为何我们无法观测到光学霍尔效应？

一个多世纪以来，科学家们已知晓电流在磁场中会发生偏转——这一现象被称为霍尔效应。在铁等磁性材料中，该效应显著且已被充分理解。但在铜或金等普通非磁性金属中，该效应则微弱得多。

理论上，一种相关现象——光学霍尔效应——应能帮助科学家可视化电子在光与磁场相互作用时的行为。但在可见光波长下，该效应始终过于微弱而难以探测。科学界虽知其存在，却缺乏测量工具。

"这就像数十年来试图在嘈杂房间里听清耳语，"Amir Capua教授表示，"所有人都知道耳语存在，但我们没有足够灵敏的麦克风来捕捉它。"

破解密码：深入观察无形现象

由希伯来大学电气工程与应用物理研究所的博士生Nadav Am Shalom和Amir Capua教授领导，并与魏茨曼科学研究所、宾夕法尼亚州立大学的Binghai Yan教授及曼彻斯特大学的Igor Rozhansky教授合作，这项研究聚焦于物理学中的棘手挑战：如何在非磁性材料中探测微弱的磁效应。

"你或许认为铜和金等金属在磁学上是'安静'的——它们不会像铁那样吸附在冰箱上，"Capua教授解释道，"但事实上，在适当条件下，它们确实会对磁场产生响应——只是方式极其微妙。"

核心挑战始终在于如何探测这些微弱效应——尤其是在激光源易于获取的可见光谱范围内使用光进行探测。此前，信号过于微弱而无法观测。

放大磁学'耳语'

为此，研究人员升级了名为磁光克尔效应（MOKE）的方法，该方法利用激光测量磁性如何改变光的反射。可将其类比为使用高功率手电筒捕捉黑暗中物体表面的最微弱反光。

通过将440纳米蓝色激光与大幅调制的强磁场相结合，他们显著提升了该技术的灵敏度。最终成果是：成功在铜、金、铝、钽和铂等非磁性金属中捕捉到磁"回波"——这项壮举曾被认为近乎不可能实现。

核心价值：当噪声转化为信号

霍尔效应是半导体工业和原子尺度材料研究的关键工具：它帮助科学家确定金属中的电子数量。但传统测量方法需在器件上连接微型导线，该过程耗时且复杂，尤其在处理纳米级元件时。而新方法则简便得多：仅需向电子设备照射激光，无需导线连接。

深入研究后，团队发现信号中看似随机的"噪声"实则完全遵循特定规律。这种规律与名为自旋轨道耦合的量子特性相关——该特性将电子运动方式与自旋方式相关联，这是现代物理学中的关键行为。

这种关联还影响磁能在材料中的耗散方式。这些发现对磁存储器、自旋电子器件乃至量子系统的设计具有直接意义。

"就像发现收音机里的静电干扰并非杂音——而是有人在低语宝贵信息，"博士生Am Shalom表示，"我们现在正用光'倾听'电子传递的这些隐藏信息。"

展望未来：探索自旋与磁性的新窗口

该技术为探索金属磁性提供了非侵入式高灵敏度工具——无需巨型磁体或低温环境。其简洁性与精确性可助力工程师构建更快的处理器、更高能效的系统及具备空前精度的传感器。

"这项研究将存在近150年的科学难题转化为新机遇，"Capua教授指出。

"耐人寻味的是，即便是发现霍尔效应的最伟大科学家埃德温·霍尔本人，也曾尝试用光束测量该效应却未成功。他在1881年著名论文的结尾总结道：'我认为，若银的磁响应强度能达到铁的十分之一，此效应应可被探测到。但实际未观测到任何此类效应。'（E. Hall, 1881）"

"通过调谐至正确频率——并知晓观测方向——我们找到了测量曾被视为不可见现象的方法。"

Story Source:

Materials provided byThe Hebrew University of Jerusalem.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Nadav Am-Shalom, Amit Rothschild, Nirel Bernstein, Michael Malka, Benjamin Assouline, Daniel Kaplan, Tobias Holder, Binghai Yan, Igor Rozhansky, Amir Capua.A sensitive MOKE and optical Hall effect technique at visible wavelengths: insights into the Gilbert damping.Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI:10.1038/s41467-025-61249-4