撰稿|本文由课题组供稿
灵活可调的多功能太赫兹光源器件在科学研究、通信和生物医药等方面有着广泛的应用前景。近期，复旦大学陶镇生、吴义政、周磊和田传山教授联合研究团队，设计了一种新型的自旋电子学超构表面太赫兹发射源，可以通过外加磁场来调控太赫兹辐射的光束方向和偏振态。相关研究成果以“Nanoengineered Spintronic-Metasurface Terahertz Emitters Enable Beam Steering and Full Polarization Control”为题，在线发表于《Nano Letters》。
太赫兹辐射是一种介于红外和微波波段的电磁波，在安全检测、无线通讯和生物分子检测等方面具有巨大应用前景。为了充分利用这些新兴的应用，对太赫兹辐射的复杂控制必不可少的。其中，由分布在二维平面内的亚波长大小的超构原子所构成的超构表面，具有紧凑易于制造的优点，并对于太赫兹辐射有着很强的调控能力，引起了广泛的关注和研究。但是传统的光束调控需要在光路中插入光学元件，不可避免地受到光学元件带宽以及透射率（或反射率）的影响。
纳米级厚度的铁磁/非磁重金属异质结薄膜组成的自旋电子学太赫兹发射源，具有发射效率高，频谱覆盖广的优点。当飞秒激光脉冲激发铁磁层产生非平衡自旋流后，自旋流进入非磁重金属层中，由于非磁重金属中的较强的自旋轨道耦合，会发生逆自旋霍尔效应，自旋流会转换成横向电荷流，进而产生太赫兹辐射，所产生的太赫兹辐射的偏振方向垂直于铁磁层的磁化方向，可以通过外加磁场的方式调控辐射太赫兹的偏振态。此外，结合成熟的金属薄膜微纳加工工艺，由金属纳米薄膜制成的自旋电子学太赫兹发射源也更容易加工成超构表面，从而实现集成的太赫兹的产生和光束调控。
在本项目中研究团队提出了一种新的多功能自旋电子学超构表面太赫兹发射源，能够独立地实现光束转向与偏振调控。如图1所示，这种太赫兹发射源的基本“格子”是由线栅结构的A、B两种类型的金属薄膜异质结构成，线栅的宽度与间隔相等，同时二者铁磁层和非磁重金属层的生长顺序相反，产生自旋流的方向相反。5个A类型“格子”与5个B类型“格子”构成了超构表面的“超格子”。
图1 自旋电子学-超构表面太赫兹发射源的结构
为了独立控制A、B两种类型铁磁层的磁化方向，研究团队在A类型异质结构的铁磁层下预先生长了反铁磁薄膜，由于铁磁与反铁磁界面的交换相互作用，A类型铁磁薄膜的矫顽场得到了明显的增大，磁化翻转需要更大的磁场。由于逆自旋霍尔效应，在小磁场下，A、B两种类型“格子”磁化方向相反，自旋流方向相反，产生的横向电荷流方向相同，超构表面形成的超线栅周期较小，太赫兹辐射集中于正出射；而在大磁场下，两者磁化方向相同，横向电荷流的方向相反，超线栅的周期等于“超格子”的周期，太赫兹辐射集中于一级衍射，并产生了空间色散，如图2所示。这样就通过磁场大小成功调控了太赫兹辐射的出射方向，实现了光束转向，转向角的大小依赖于超构表面形成的“超格子”的周期。
图2 自旋电子学-超构表面太赫兹发射源的光束转向功能
在超构表面的“格子”里，线栅的宽度在亚波长量级。当横向电荷流的方向垂直于线栅方向时，由于限制效应，太赫兹辐射的振幅和相位会发生变化，与平行线栅方向的横向电荷流辐射的太赫兹有一定的相位差，可以旋转磁场来改变太赫兹辐射的偏振态。如图3所示，随着磁场方向的变化，该太赫兹发射源在一级衍射方向可以产生左旋椭偏和右旋椭偏的太赫兹辐射。
图3 自旋电子学-超构表面太赫兹发射源的偏振调控功能
在本工作中，研究团队基于自旋电子学-超构表面技术，设计了一种新型的多功能调控的宽谱太赫兹光源，并证明了对太赫兹发射角度和偏振状态的独立调控。需要指出的是，本工作证明的原型器件仅仅展示了上述设计理念的最简单的证明。通过引入更多不同的磁性材料、自旋电子学效应以及更复杂的超构表面设计，本器件有望实现更多复杂的太赫兹光场产生与调控，包括太赫兹涡旋场、超环形场等。
复旦大学博士研究生王顺甲是本论文的第一作者，复旦大学的吴义政教授和陶镇生教授是本论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会、复旦大学和应用表面物理国家重点实验室等支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03906
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