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前沿| 新型拓扑材料中实现自旋太赫兹辐射

发布:RuiChaoDong阅读:665时间:2021-1-25 00:24:11

研究背景

太赫兹电磁波波长位于微波和红外之间,是电磁波谱上有待深入研究和开发的电磁频段,对前沿科学研究、****、信息技术变革等具有举足轻重的作用。目前该技术发展的关键在于获得高效的太赫兹辐射源、高灵敏的探测器,以及各种相关功能器件。其中,高效太赫兹辐射源的发展尤为重要。拓扑材料中由圆偏极化光子产生的自旋相关超快电流是量子通信、片上通信处理和存储等诸多技术改进的关键所在。

       一方面,皮秒时间尺度内产生的自旋光电流使得超快的光学操作成为可能。众所周知,通过自旋自由度可以实现数据的有效存储和处理。但是,这要求在瞬态时间内产生和控制自旋电流以实现超快操作,尤其是在频率达到未开发的太赫兹波段。而拓扑材料中独特的自旋光电流允许在没有外场的圆偏振光下进行超快操作。

       另一方面,由自旋光电流直接产生太赫兹脉冲已经被证明是一种高效的太赫兹辐射方式。值得一提的是,过去的自旋太赫兹脉冲产生和操纵主要依赖于复杂的脉冲整形或入射激光的双色操纵,而辐射源本身没有独特的操纵特性。因此,开发具有特殊自旋-动量锁定的新型拓扑材料至关重要。

研究亮点

国防科技大学江天研究员团队提出了一种在新型拓扑材料中产生自旋相关太赫兹辐射的方法,以如何实现太赫兹偏振特性的任意调控为出发点,采用飞秒激光泵浦Nodal-line半金属候选材料Mg3Bi2单晶薄膜,利用电子的自旋特性,成功实现了基于新型拓扑材料的圆偏振太赫兹辐射。通过对太赫兹脉冲峰值信号进行处理,该团队发现太赫兹辐射主要来源于圆偏光伏效应导致的自旋相关光电流以及线偏光伏效应产生的自旋无关光电流。在这个工作中,利用泵浦激光的偏振态、激光功率以及样品的方位角,研究人员实现了对太赫兹辐射的偏振及强度操控。这项工作将激发更多对新型拓扑材料的探索,并为在拓扑系统中发展超快光电子技术提供新的机遇。

图1 (a)太赫兹辐射示意图。在(b) θ = -45º 和(c) θ =+45º时太赫兹波形的极坐标图,颜色表示太赫兹辐射的振幅

图2 在(a) θ = -45º 和 (b) θ =+45º时太赫兹脉冲振幅随入射光偏振状态的变化(t = 2.46 ps)。(c)和(d)分别对应(a)和(b)中提取的拟合参数C(自旋相关圆偏光伏效应)、L1(自旋无关线偏光伏效应)、L2(光子牵引效应)、d(光整流效应)

该工作以“Helicity–dependent THz emission induced by ultrafast spin photocurrent in nodal‐line semimetal candidate Mg3Bi2”为题发表在英文期刊Opto-Electronic Advances 2020年第12期。

消息来源:两江科技评论

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