开启二维材料物理新视角：科学家阐述太赫兹发射的非线性过程，为设计太赫兹新器件夯实基础

近日，清华大学王琛教授、周济院士及其团队， 在一篇论文中阐述了太赫兹发射的非线性过程，并阐述了光学整流、光拖效应、高阶谐波产生和自旋-电荷转换等现象。

图 | 王琛和团队（来源：王琛）

此外，他们还讨论了太赫兹发射二极管、激光器和生物传感器等功能性器件，阐述了利用光学整流、光拖效应、和自旋-电荷转换效应来产生太赫兹辐射的方法， 并展望了太赫兹光谱的应用前景。

具体来说：

首先，在高速无线通信领域，太赫兹波因其高频率和宽带宽的特性，可以大幅提升数据传输速率。

这使其能够成为 5G 和 6G 通信网络的理想选择，同时也能用于数据中心的高效互联，从而提升网络的传输效率和降低延迟。

随着技术的不断进步，太赫兹通信有望在未来 10-15 年内进入大规模深层商用阶段。

其次，在医疗成像与诊断方面，太赫兹技术以其非侵入性和高分辨率的优势，为癌症和其他疾病的早期检测提供了新途径。

它能针对皮肤和乳腺等组织实现精准成像，帮助医生进行更早期的诊断和治疗。此外，太赫兹成像也可用于牙科领域，以用于检测隐藏的口腔问题。

再次，在安全检测和安检领域，太赫兹波的穿透性使其能被用来检测隐藏在衣物或包装材料中的违禁品和武器，这对机场安检和公共安全具有重要意义。

由于其无需接触、快速高效的特点，太赫兹安检设备目前已经在欧美等国家逐步普及。

此外，工业检测和材料分析也是太赫兹技术的重要应用领域。太赫兹安检设备所拥有的非破坏性检测能力，使其能够用于半导体材料缺陷检测、药物成分分析等。

这不仅能够提升工业产品的质量控制，也为化工、制药等行业提供了更高效的解决方案。

同时，太赫兹技术在环境监测和农业中的潜力也不容忽视。它能够检测空气中的污染物、以及农产品的水分和品质，帮助提高环境保护和农业生产的效率。

（来源：Light: Science & Applications）

助力构建下一代信息技术基础设施

据了解，在芯片技术和智能技术快速发展的时代背景下，后摩尔时代的半导体材料与元器件技术，成为推动新一代技术产业革命的核心。

新材料与元器件技术的路径图谱的绘制，是能否抢先选定最优技术路线的基石。但是，对于新材料与元器件技术的基本物性的深刻理解，又是最具挑战性的难题。

结合该课题组前期在材料多物理场输运方面的研究基础，他们发现当前亟需一种超快时间-超高空间-超高能量的分析技术。

同时，还需要一种能与电子发生强相互作用从而能够实现光子-电子在量子维度的调制的技术。

太赫兹发射光谱，已被证明是一种有效的多功能新方法，能被用于探索光电特性和非线性物理过程。

基于此，他们曾打造出一种非线性光学的太赫兹发射-泵浦-探测-调控技术，并成为该团队在研究新型半导体材料与器件时的一件利器。

同时，在探索半导体器件超快动力学、光电相互作用、准粒子量子动力学等方面，上述技术也成为了一种关键手段。

（来源：Light: Science & Applications）

在此基础之上，他们还希望探索以下几个关键问题。

首先，他们希望深入研究新材料中太赫兹发射的物理机制。

不同于传统材料，新材料具有特殊的量子效应和表面效应，这使得它们在太赫兹波段的响应非常与众不同。

通过对这些材料在不同条件下的太赫兹发射行为进行详细研究，该团队希望揭示其背后的非线性光学过程，包括揭示光学整流、光子拖曳效应和自旋-电荷转换等物理机制。

其次，利用新材料的独特特性，他们还希望开发新型的高效太赫兹发射器件，从而用于高速通信、精确成像和生物传感等领域，进而助力构建下一代的信息技术基础设施。

同时，新材料与其他材料结合形成的异质结构，往往具有复杂的界面效应，这为调控材料的光电性能提供了新的可能。

因此，他们希望通过制备各种异质结构，来探讨界面效应对于太赫兹发射特性的影响，以便进一步地优化器件性能。

再次，通过提升太赫兹技术在材料科学和器件工程中的应用能力，该团队希望推动这一领域在通信、医疗等行业中的发展，从而更好地发挥太赫兹技术的高穿透性和高分辨率等优势。基于此，他们开展了本次综述研究。

（来源：Light: Science & Applications）

“未知的神秘振动源”

在课题明确之后，他们首先建立了相关的理论模型，以预测和解释新材料中的太赫兹发射行为，包括针对材料的电子结构、载流子动力学和界面效应开展模拟与分析等。

通过计算机模拟和理论推导，让他们得以更好地理解这些材料在太赫兹波段的响应。

同时，该团队还设计了一系列实验方案来逐步提升定制化测试设备的功能性和信噪比。

通过飞秒激光、非线性晶体和新型材料相互作用，以及发射、泵浦、探测和调制准粒子的量子动力学行为，课题组研究了相关的物理特性响应和半导体特性响应。

当然，对于一个成功的实验来说，精妙的实验设计只是第一步。在实验测试阶段，光路的信噪比和高质量的样品，成为他们面对的两大难题。

为此，他们不断地优化实验条件和材料制备条件，借此获得了绝对准确的高质量实验数据。

研究人员表示：“人们常说台上一分钟台下十年功，这句话也非常适用于科研领域。”

有时最终需要的数据，的确在几分钟之内就可以得到，但是前期的调试和优化的背后，是无数个日日夜夜的排查和探索。

（来源：Light: Science & Applications）

由于实验中要探测极其微弱的光信号，因此必须得提高信噪比。

一般而言，对于实验环境中所有的干扰，都要尽最大可能地避免。除了实验室要达到 100 级洁净、常年保持 23℃ 恒温和 35% 恒湿的暗场之外，还有几个意外情况曾让他们挠头不已。

有一次，有个实验信号特别好，但总是夹杂一些未知的信号。几经分析和步步排查，后来发现是学校统一安装的监控设备中在夜场模式下发出的红外光导致的噪音，经过多次反射之后导致的。

还有一次，前一天非常完好的测试平台，第二天测试时总是有几十纳米的微小位移，导致测试精度不足。

为此课题组替换了很多原件，排查了楼上、楼下、和左右邻居实验室的所有机械振动因素，甚至专门卡点地铁经过清华周围的时间来做实验。

然而，尽管经过上述操作之后有了一定提升，但是依旧无法回到最佳状态。

“最终经过其他手段我们达到了测试要求，但是实验室流传的清华一定有个未知的神秘振动源，却始终考验着我们的设备调试能力。”该团队表示。

好在论文最终得以顺利发布。日前，相关论文以《二维材料物理的新颖探测视角：太赫兹发射光谱》（Emerging probing perspective of two-dimensional materials physics: terahertz emission spectroscopy）为题发在 Light: Science & Applications[1]。

Yifei Wu 是第一作者，王琛担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

据介绍，该课题组的长期目标旨在 开展后摩尔元器件的体系化研究，即研究如何通过“原理-材料-器件-集成-芯片”这五个维度的协同作用，突破其中的关键问题。

因此，本次基于太赫兹动力学的研究成果，也是该团队在原理研究上的一款重要工具。

未来：

在基础研究上，他们将通过更精细的实验和模拟，力争揭示那些在太赫兹波段表现出复杂物理现象的材料的光拖效应、光学整流效应和自旋-电荷转换等效应的微观机制，从而为设计新型高效太赫兹器件提供理论基础。

在应用研究上，他们将致力于开发基于全新材料体系的新型太赫兹发射和探测器件。

预计这些器件有望在多个行业实现应用，例如用于高速无线通信、生物医学成像和公共安全检测等。

目前，上述研究已经逐步从单种材料和新材料、扩展到异质界面和新型半导体材料体系中，因此他们希望推动对于新型半导体材料的基础物性和器件潜力的评估和判定。

跨学科合作则是他们未来研究的另一重点。他们将继续与材料科学、物理学、工程学和生物医学领域的专家开展合作，拓展太赫兹技术在基础研究和交叉应用领域的能力。

同时，他们还计划使用 AI 技术来打造智能材料优化实验室，提高实验效率和实验准确性，同时减少人为干预带来的误差。

“此外，我们也希望借用丰富的芯片数据来训练相关的 AI 模型，进而提升芯片的研发速度和迭代速度，加速后摩尔芯片技术的快速演进。”研究人员最后表示。

参考资料：

1.Wu, Y., Wang, Y., Bao, D.et al. Emerging probing perspective of two-dimensional materials physics: terahertz emission spectroscopy. Light Sci Appl 13, 146 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01486-2

排版：溪树

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