上海大学在光控超快太赫兹波调制方面取得重要进展

　　近日，上海大学理学院物理系马国宏教授团队在光控超快太赫兹波调制方面取得重要进展，相关研究成果以“Highly efficient ultrafast terahertz modulation enabled by unconventional carrier dynamics in HgTe semimetals”为题发表在国际知名光学期刊Laser & Photonics Reviews上。

　　太赫兹技术被普遍认为是未来6G通信、成像与传感系统的关键发展方向之一。作为其核心器件，高速、低功耗的太赫兹波调制器直接承担着太赫兹通信与传感系统中信号调控的重要功能。然而，该领域的发展仍面临关键挑战：缺乏理想的材料平台与有效的主动调控手段。传统半导体材料(如Si、GaAs、CdTe等)虽具备较高的调制深度，但受限于载流子弛豫寿命，调制速度通常较慢;二维材料(如石墨烯、过渡金属硫化物)虽具有超快瞬态响应，但其原子级厚度限制了调制深度;而基于贵金属(如Au、Ag)构建的异质结构或超表面，大多仅能实现被动调制，且存在器件损耗大、响应迟缓等问题，难以满足高速太赫兹器件的需求。因此，亟需发展一种兼具高效太赫兹调制能力与超快载流子弛豫特性，同时结构简单、易于与现有半导体工艺兼容的新型材料。

　　理论上，具有小有效质量和长动量散射时间的光载流子对太赫兹电场的吸收更为高效，而无带隙的能带结构则有利于光载流子的快速弛豫。基于这一认识，研究团队系统筛选了多种材料体系，最终选定半金属HgTe作为候选材料，并利用光泵浦-太赫兹探测光谱系统，深入研究了HgTe薄膜的光控太赫兹调制特性及其瞬态光载流子动力学行为。

　　实验结果显示，在室温条件下，HgTe薄膜对太赫兹波表现出极其灵敏的透射响应：在仅1 μJ/cm²的激发通量下，调制深度即可达到28%;当激发通量提高至21 μJ/cm²时，调制深度进一步提升至73%。在5 K低温条件下，仅需7 μJ/cm²的激发通量即可实现81%的调制深度。这些数值在同等实验条件下均为目前公开报道的单一材料体系中的最高记录。此外，HgTe的光载流子弛豫寿命仅为14 ps，且基本不随激发通量变化，可实现高达70 GHz的调制速度。通过理论分析与数值模拟，研究揭示了HgTe优异的太赫兹调制能力主要源于其半金属特性，其中轻空穴带上的载流子在光电导响应中起主导作用。该研究不仅深化了对HgTe中光载流子弛豫机制的理解，也凸显了HgTe薄膜在低功耗、全光控超快太赫兹开关器件方面的巨大应用潜力。