Terahertz-Magnetic-Field Induced Ultrafast Faraday Rotation of Molecular Liquids
太赫茲磁場誘導產生分子液體的超快法拉第旋轉效應
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.093201
摘要：在磁場中光的偏振面產生旋轉，稱為法拉第旋轉效應。這種效應源自光本身的電磁性質，已經在許多光學設備中得到應用。當前的研究目標是在亞皮秒時間尺度上實現法拉第旋轉。因此，在超短強磁場的存在下，法拉第介質中發生一個超快的過程，光的偏振產生旋轉。我們將強場單周期太赫茲磁場應用於簡單分子液體，演示了雷射脈衝在亞皮秒時間尺度上穿透液體，偏振平面發生旋轉。這種效應是由於在太赫茲磁場的影響下，光致瞬時電偏振發生偏轉所致。法拉第旋轉角隨太赫茲磁場呈線性變化，隨分子極化率呈平方關係變化。
圖1，(a)飛秒光脈衝以40度的寬角度與單周期線偏振太赫茲脈衝在液體上混合。光致瞬時極化電流脈衝Je(t)。這個電流在垂直於光脈衝傳播方向的平面上被太赫茲磁場彎曲。電流的偏轉分量，即Jh(t)引起光脈衝偏振的旋轉。液體放在一個頂部敞開的容器裡。在這種結構中，太赫茲脈衝垂直衝擊樣品。(b)這項研究所用的部分樣本的太赫茲吸收和折射率。對於TGG晶體，我們利用太赫茲時域光譜儀獲得了數據。從介電常數和損耗譜計算了甲醇、丁醇、丙醇和正己烷的折射率和吸收係數。
圖2，在室溫下一系列分子液體的法拉第旋轉。非極性，環己烷(深綠色)和正己烷(紅色);非質子極性，二氧六環(粉紅色)，氯仿(藍色)，四氫呋喃(THF，黑色);質子極性，1-己醇(氰)，1-戊醇(綠色)，1-丁醇(藍色)，1-丙醇(粉紅色)，乙醇(紅色)和甲醇(黑色)。測量的信號類似於THz波形(虛線)。(b)是(a)中信號對應的傅立葉譜。灰色區域顯示了太赫茲脈衝的振幅譜。
圖3，正己烷(a)和丙醇(b)的法拉第旋轉隨外加太赫茲磁場呈線性變化。在這兩個樣本中，被測信號產生翻轉，與太赫茲磁場有180度相移。插圖(b)顯示了丙醇旋轉信號峰峰幅值與太赫茲磁場的依賴關係。
圖4，考慮了鋱鎵石榴石晶體（TGG）的磁光法拉第旋轉和太赫茲與光脈衝速度失配的模擬信號。虛線表示太赫茲磁場。
圖5，根據水，環己烷，氯仿，甲醇，乙醇，丙醇，丁醇，戊醇，己醇，正己烷，二氧六環，四氫呋喃(THF)，繪製了液體法拉第旋轉信號峰峰振幅與液體分子平均極化率的平方關係圖。