位于毫米波和遠(yuǎn)紅外頻率范圍之間的太赫茲(THz)波是一種電磁頻帶，至今尚未完全識別和理解。北京航空航天大學(xué)的吳曉軍帶領(lǐng)一組研究人員積極尋求理解，產(chǎn)生和控制太赫茲輻射的方法。Wu指出，太赫茲波在擴(kuò)展實(shí)際應(yīng)用(從成像到信息加密)方面具有巨大潛力，但是由于缺乏足夠高效的信號源，太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展受到了阻礙。

Wu的研究小組一直在研究碲化鉍(Bi 2 Te 3)的三維拓?fù)浣^緣體，作為有效THz系統(tǒng)的有希望的基礎(chǔ)。他們最近系統(tǒng)地研究了飛秒激光脈沖驅(qū)動的Bi 2 Te 3納米膜的太赫茲輻射。他們在Advanced Photonics上發(fā)表的報(bào)告證明了具有可任意調(diào)節(jié)的偏振態(tài)的手性太赫茲波的有效產(chǎn)生，該偏振態(tài)允許控制手性，橢圓率和主軸。

吳認(rèn)為，碲化鉍是未來基于片上拓?fù)浣^緣子的太赫茲系統(tǒng)的理想選擇。它已經(jīng)在太赫茲發(fā)射，檢測和調(diào)制方面展現(xiàn)了極好的前景。經(jīng)過深入研究的拓?fù)浣^緣體具有特殊的自旋動量鎖定表面狀態(tài)，也可以通過各種因素(例如原子層數(shù))進(jìn)行精確調(diào)整。吳解釋說，這種太赫茲源可以有效地輻射線性和圓極化的太赫茲波，并且具有可調(diào)節(jié)的手性和極化度。這將促進(jìn)太赫茲科學(xué)及其在超快太赫茲光電自旋電子學(xué)，基于偏振的太赫茲光譜學(xué)和成像，太赫茲生物傳感，視距太赫茲通信和信息加密等領(lǐng)域的發(fā)展。

Bi2Te3的極化可調(diào)THz發(fā)射示意圖。(a)具有水平線性偏振(HLP)，垂直線性偏振(VLP)，左旋圓偏振(LCP)和右旋圓偏振(RCP)的飛秒激光脈沖照射到拓?fù)浣^緣體Bi2Te3上并產(chǎn)生偏振可調(diào)THz波浪。(b)宏觀依賴于螺旋度的光電流，只能產(chǎn)生單向自旋電流。(c)圓偏振激光脈沖照明下的微觀電子躍遷。信用：SPIE

線性極化太赫茲波的產(chǎn)生和操縱

Wu的小組系統(tǒng)地研究了由飛秒激光脈沖驅(qū)動的拓?fù)浣^緣體Bi 2 Te 3納米膜的太赫茲輻射。他們發(fā)現(xiàn)，線性極化的太赫茲波起源于由線性極化的泵浦光激發(fā)拓?fù)浣^緣子后，Bi 2 Te 3中Bi-Te原子之間的電子密度超快重新分布而形成的移位電流。超快移位電流有助于線性極化的THz輻射。由于Bi 2 Te 3的晶格特性，取決于樣品的方位角，輻射的太赫茲波始終以三倍的旋轉(zhuǎn)角線性極化。這種可靠性使得通過控制偏振方向上的入射激光來任意操縱THz波偏振角變得非常方便。

Wu解釋說，為了產(chǎn)生圓偏振THz脈沖，有必要同時調(diào)整泵浦激光的偏振和樣品的方位角。當(dāng)樣品方位角固定后，由于固有時間引起的線性光電效應(yīng)(LPGE)和圓形光電效應(yīng)(CPGE)的結(jié)合，研究人員還獲得了具有不同橢圓率和主軸的橢圓太赫茲光束。 LPGE驅(qū)動和CPGE驅(qū)動的THz電場分量之間的延遲。在他們的期望范圍內(nèi)，他們能夠通過改變?nèi)肷浼す獾穆菪葋聿倏v所發(fā)射的太赫茲波的手性。

Wu解釋說：“依賴于螺旋線的電流是我們獲得自旋極化THz脈沖的關(guān)鍵原因，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^改變螺旋線來連續(xù)調(diào)整其幅度和極性。” 他們的論文中具體討論了圓偏振THz輻射的實(shí)現(xiàn)和控制。

作者們樂觀地認(rèn)為，他們的工作將有助于進(jìn)一步集體理解飛秒相干控制光-物質(zhì)相互作用中的超快自旋電流，還將為產(chǎn)生自旋極化的太赫茲波提供有效的方法。Wu指出，極化的操作是朝著在源頭上有效調(diào)整扭曲的THz波的目標(biāo)邁出的一步。