前沿| 拓扑材料成就太赫兹偏振调谐新机遇

攥稿 | 北京航空航天大学 吴晓君

Advanced Photonics 2020年第6期论文

Haihui Zhao, Xinhou Chen, Chen Ouyang, Hangtian Wang, Deyin Kong, Peidi Yang, Baolong Zhang, Chun Wang, Gaoshuai Wei, Tianxiao Nie, Weisheng Zhao, Jungang Miao, Yutong Li, Li Wang, Xiaojun Wu. Generation and manipulation of chiral terahertz waves in the three-dimensional topological insulator Bi₂Te₃[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(6): 066003

太赫兹电磁波位于微波和红外之间，处于宏微交替的过渡区域，是电磁波谱上至今还未被人类深入研究和开发的电磁频段。它具有普遍性、唯一性、宽带性、穿透性等特点，即将成为继微波技术和光子技术后，人类认识世界的“第三只眼睛”。太赫兹科学涉及到物理、化学、材料、生物、国防和天文等，太赫兹技术可与航空航天、通信雷达、安检反恐、生物医疗等交叉融合，可开辟一系列颠覆性前沿研究领域，提升国家安全综合国力，推动信息技术变革和创新产业链发展，已成为世界各国竞相角逐的新兴技术。

阻碍太赫兹科学与技术发展的关键在于缺乏高效率辐射源、高灵敏度探测器，以及各种功能器件。其中，源的缺乏尤为关键。如果能进一步将太赫兹光场调控的功能耦合到源上，不仅有可能揭示光与物质相互作用物理，而且对下一代新型太赫兹辐射源的产生和应用也有一定的推动作用。偏振可控的宽带太赫兹波在太赫兹无线通信、自旋电子学和生物医学等领域有潜在用途。在太赫兹源处实现对波的操控是非常吸引人的研究领域。

实现太赫兹波的偏振控制主要采用的器件是太赫兹波片和超表面。这两者广泛应用于窄带宽和对可调性要求低的领域。到现在，有几种可操控偏振的太赫兹源，分别是：双脉冲激发空气等离子体、空间光调制器激发非线性晶体、飞秒激光激发磁性材料等，都可以实现对太赫兹波偏振态的操控。是否可以利用电子的自旋自由度来产生和操控太赫兹波是一个很有趣的问题。

北京航空航天大学吴晓君课题组以如何在太赫兹发射源处产生宽带圆偏振太赫兹辐射、如何实现太赫兹偏振特性的任意调控为研究出发点，采用飞秒激光泵浦三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃单晶薄膜，利用电子的自旋特性，成功实现了基于拓扑绝缘体的宽带圆偏振太赫兹辐射。通过调控泵浦激光的偏振态和样品的方位角，实现了对太赫兹辐射的椭圆率、手性和主轴方向的任意操控。相关成果以Generation and manipulation of chiral terahertz waves emitted from the three-dimensional topological insulator Bi₂Te₃为题，发表在Advanced Photonics第6期。 

图1 圆偏振太赫兹辐射的产生与调控原理示意图。(a) 太赫兹辐射的偏振特性可通过飞秒激光的偏振态来进行操控；(b) 手性偏振光激发相应自旋电子，形成自旋电流；(c) 圆偏振光泵浦激发电子跃迁示意图

当飞秒激光泵浦拓扑绝缘体Bi₂Te₃时，材料中的Bi-Te原子间电子密度会经历超快重新分布的过程，形成瞬态转移电流（Shift Current），产生线偏振太赫兹辐射。由于Bi₂Te₃属于三重旋转对称性结构，产生的线偏振太赫兹波的偏振角与样品方位角呈现三倍依赖关系。该过程被称为线光伏效应（Linear Photogalvanic Effect）。通过控制泵浦激光的偏振方向和样品的方位角，可以控制太赫兹辐射的偏振方向。

图2  利用线光伏效应产生偏振可调谐太赫兹辐射。(a) 线偏振太赫兹波分量操控；(b) 线光谱效应产生太赫兹辐射的机理示意图

在圆偏振太赫兹辐射的产生过程中，当左旋圆偏振光入射到样品上时，辐射的太赫兹是椭圆偏振，且主轴方向随样品方位角的旋转规律和线偏振入射时辐射的太赫兹旋转规律一致，周期也是120°。当固定一个样品方位角时，改变泵浦激光的椭圆率和偏振方向，辐射的太赫兹可以是线偏振的、椭圆偏振的，也可以是圆偏振的。当椭圆偏振或者圆偏振的飞秒激光泵浦Bi₂Te₃时，样品表面态会同时产生多种非线性响应。由于Bi₂Te₃独特自旋动量锁定的表面态，泵浦激光的手性特征对泵浦产生的光电流分量有选择性激发的能力。此电流结合上文中提到的线光伏效应引起的光电流，由于引起两种光电流的效应不同，辐射的不同方向的太赫兹分量存在相位差，即可产生圆偏振太赫兹，并可通过控制入射圆偏振光的手性和椭圆率来实现出射圆偏振太赫兹波手性和椭圆率的调节。

图3  任意偏振太赫兹辐射的调控。(a) 左旋圆偏振太赫兹波产生结果；(b) 右旋圆偏振太赫兹波产生结果；(c) 线偏振太赫兹波产生结果

基于拓扑绝缘体设计实现的偏振态任意可调的太赫兹辐射源，为太赫兹技术的研究与应用提供了机遇，具有一定的潜在应用价值。更多该种圆偏振太赫兹辐射的具体实施和调控细节，欢迎大家进一步阅读文章了解Generation and manipulation of chiral terahertz waves emitted from the three-dimensional topological insulator Bi₂Te₃。

本文来源：中国激光

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