有望实现高质量太赫兹全息成像，复旦学者开发激光场冷编程技术，突破传统方法对外部磁场依赖

近日，复旦大学研究员陶镇生团队和合作者成功实现一种可编程的自旋电子学太赫兹光源。通过此， 他们在同一个器件上，实现了空间结构光的产生和调控，并展现出可编程、可调控、灵活性高的优势。

图 | 陶镇生（来源：陶镇生）

之所以能够实现这一成果，是因为他们巧妙结合了自旋电子学的太赫兹产生源，并利用了材料局域自旋状态的光学冷场编程能力。

同时，他们还研发出一套新算法，该算法可以根据太赫兹空间结构光场的远场需求，来设计磁性薄膜局域自旋分布，并能进行相关的编程。

总的来说，对于产生太赫兹波段的结构光场来说，本次成果具有重要意义。

在日常生活中，通过产生和控制太赫兹结构光场，可以拓展太赫兹频率通讯的带宽，以及用于太赫兹雷达的灵活指向。

对于太赫兹光谱学来说，它可以激发凝聚态材料中的晶格共振、以及大分子结构共振。

因此无论是用于产生空间结构、还是用于产生手性太赫兹光场，对于研究这些结构的手性或磁性，将能带来一定益处。

（来源：eLight）

日前，相关论文以《通过可编程交换偏置自旋电子发射器灵活生成结构化太赫兹场》（Flexible generation of structured terahertz fields via programmable exchange-biased spintronic emitters）为题发在 eLight[1]。

王顺甲是第一作者，复旦大学的陶镇生教授和吴义政教授、以及首都师范大学的张岩教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：eLight）

据介绍，太赫兹光——是一种频率介于微波辐射和光波之间的电磁波波段。

太赫兹光具有很好的物质穿透能力，又可以携带较大的通讯带宽。因此，处于太赫兹光这一波段的电磁波，在成像、安检、通讯等领域有着广泛的应用前景。

为了充分利用太赫兹波的各种优点，就需要针对太赫兹波实现有效的调控。这些调控包括：改变太赫兹辐射的传播指向、实现太赫兹频率的空间结构光场等。

空间结构光场，是一种光场偏振状态呈现出复杂空间分布的特殊光场。

由于光场具有复杂的空间偏振分布，这让空间结构光场可以在传播中携带更多的信息，例如携带光场轨道角动量等信息，从而能够拓展通讯带宽。

另一方面，对于研究光-物质的相互作用来说，空间结构太赫兹光场亦能提供一种新的实验工具。

但是，与微波和光波的不同之处在于：要想实现太赫兹电磁波的传输和调控，并非一件易事。

例如，针对结构光场进行调控时，太赫兹波段往往需要很厚的液晶、以及需要体积较大光学微镜来作为部件，这让其中的控制步骤和加工步骤变得尤为困难。

（来源：eLight）

实现高分辨率的磁化模式编程

近年来，结合自旋电子太赫兹发射源和超构表面技术，陶镇生课题组和吴义政课题组一直在开展合作研究。

此前，他们将自旋电子发射源，制作成一种超构表面结构，在产生太赫兹光波的同时，还能对其偏振和手性实现灵活的调控。

后来，他们探索了对于太赫兹波前状态和偏振状态的独立多维度调控。

同时，该领域的其他学者也利用自旋电子发射源和超构表面技术，产生了太赫兹涡旋光场、太赫兹矢量光场等复杂光场。

但是，陶镇生等人发现：仅仅将自旋电子太赫兹源与超构表面结合，并不能针对太赫兹光子的自旋和轨道角动量实现同时调控。

主要原因在于：对于外加的宏观磁场来说，它只能针对整个发射源超构表面结构实现均匀的磁化，无法单独地调控每个超构表面结构单元的磁化方向。

而且，对于任何一种结构光场的产生，都需要重新设计和重新加工特定的铁磁薄膜超构表面器件。

而这种微纳加工过程往往较为复杂，需要多次将重复光刻与镀膜过程相结合。

于是，陶镇生等人开始设想：能否使用编程的方式，针对发射源表面局域的磁矩进行编程？

这样一来，既能实现复杂的太赫兹结构光场，又能根据需求针对太赫兹发射源进行编程。

基于这一想法，他们启动了本次课题。

随后，通过调研一些磁结构调控的已有成果，陶镇生发现：使用 IrMn/Py 异质结间所产生的磁交换偏置现象，可以帮助实现磁畴方向的编程。

随后，他和合作者使用光学平台搭建出一款平台，该平台可以实现微米级别的编程精度。

接着，他们针对磁结构编程的结果进行表征，包括针对交换偏振强度和编程空间分辨率等进行表征。

在此期间，针对薄膜异质结的厚度和生长条件，该团队也进行了优化。这时，磁结构编程所需的实验平台，终于完成搭建和测试。

而为了能够利用远场太赫兹结构光场的应用需求，来反推发射源表面磁结构的磁化方向和结构空间分布，课题组又开发出一套新算法。

接着，他们利用上述编程平台和算法， 实现了集中结构光场光源的编程，并在首都师范大学张岩教授的帮助之下，针对远场太赫兹结构光实现了准确表征。

对于本次论文其中一位审稿人评价称：“采用新型可编程的自旋电子发射器，来生成结构化太赫兹波的方法是值得称赞的，它代表着一项十分有意义的进步。”

在交换偏置铁磁异质结构中，通过激光辅助局部场冷却的方法，课题组实现了高分辨率的磁化模式编程，预计将在多个领域带来一定影响。

（来源：eLight）

将努力打造“任意光产生器”

另据悉，陶镇生目前的任职单位复旦大学，也是他的母校，其本科和硕士均毕业于该校。

2014 年，他在美国密歇根州立大学获得物理及天文系博士，并在美国科罗拉多大学博得分校从事博士后研究。

2018 年，陶镇生入选国家级高层次人才计划和上海市“东方学者”计划，随后回到母亲复旦大学物理系任职。

回国之后，他主要研究太赫兹、深紫外及软 X 射线激光。2021 年，他和团队提出并开发出一种新型自旋电子-超表面太赫兹发射器，借此设计出一种多功能调控的宽谱太赫兹光源。

借此丰富了凝聚态材料的调控手段， 拓展了对凝聚态理论的理解，而在当时这一研究还属于业内首创。

2024 年，他和团队又完成了本次发在 eLight 的论文成果。

（来源：eLight）

目前，针对太赫兹发射源表面任意区域的磁结构，该课题组都能实现任意方向的调控。从而能够针对任意区域的太赫兹光场线偏振，实现任意的调控。

但是，这只是产生远场太赫兹结构光场的物理基础。而针对局域发射太赫兹光场的相位，他们依然无法实现任意的调控。

如果能够实现上述目标，就意味着能够打造一种基于太赫兹频率的任意光产生器（arbitrary-wave generator）。

要想实现这一目标，或可通过如下两个方式实现：

第一种方法，通过研究更多光物质的相互作用，尝试研制拓扑绝缘体、二维材料等新材料，以便实现更加多样的太赫兹发射产生机制。

第二种方法，则需要利用飞秒脉冲的激发作用。即利用红外波段的空间光调制器，针对飞秒脉冲进行调控，这样一来就能在激发过程之中，引入不同局域的相对相位移动。而这些都将是陶镇生课题组的未来研究方向。

参考资料：

1.Wang, S., Qin, W., Guan, T.et al. Flexible generation of structured terahertz fields via programmable exchange-biased spintronic emitters. eLight 4, 11 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00069-3

运营/排版：何晨龙

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