来自新兴对称性破坏材料的超快太赫兹发射
发布时间：2023-06-05 08:00:00 阅读数： 81
超快光场入射在空间对称性被打破的材料上（蓝色），时间反转对称性（黄色），或两者（绿色）产生太赫兹辐射。插图说明了导致整流的太赫兹电流高频光场的各种机制。(图片由洛斯阿拉莫斯国家实验室提供）。资料来源：陈厚同
太赫兹（THz）发射光谱已经成为一种有价值的技术，用于研究静态物理特性以及发生在新型材料系统中的超高速动态，这些材料可能对其他探针来说是隐藏的。
在这篇评论文章中，作者调查了最近涉及量子和低维材料的太赫兹发射研究的广泛选择，强调了统一的对称性考虑，以及利用内在和外在（人工纳米-微观）结构之间的相互作用来设计特性的机会。
在发表于《光》杂志的一篇新文章中： 科学与应用》杂志上发表的一篇新文章中，由洛斯阿拉莫斯国家实验室综合纳米技术中心的Hou-Tong Chen领导的一个科学家小组回顾了最近利用太赫兹（THz）发射光谱来揭示新兴材料的基本特性和复杂的动态行为的一些研究。这些材料包括量子材料，如超导体和磁体，以及低维材料，如石墨烯和金属纳米结构。
"该论文的共同负责人之一Jacob Pettine说："尽管存在各种非线性光学光谱，但太赫兹发射允许你探测材料的特性和动态，而这些特性和动态对其他技术来说可能是隐藏的。"因此，这种方法对于审视新型材料已经变得相当重要。"
太赫兹发射光谱学的核心概念是将高频光场整流为低频场，类似于将墙上的交流（AC）电流转换成定向（DC）电流所需的整流，可以为设备供电或为电池充电。任何整流过程的基础是一个被打破的对称性--通常是一个空间镜像/反转对称性，尽管时间反转对称性的打破在磁性系统中成为关键。
"在最基本的层面上，太赫兹辐射的发射需要你的材料在空间和/或时间上具有某种方向性，"共同牵头人尼古拉斯-西里卡指出。"因此，如果你得到任何太赫兹光，它立即告诉你一些关于系统的对称性。
共同领导作者Prashant Padmanabhan补充说："然后你可以通过测量对不同入射光的偏振、频率或振幅所发出的太赫兹场来获得对材料结构、电子和磁特性以及光-物质相互作用的详细见解。"
评论中探讨的一个补充主题是内在（即原子晶格）和外在（人工/纳米尺度）结构化之间的相互作用，其中人工结构化可以引入新的对称性并增强太赫兹电流响应，否则在内在/大块材料中可能是弱的或禁止的。
到目前为止，重点主要是探索(i)新兴量子材料的复杂体质特性，或(ii)相对简单的金属、半金属或半导体的低维/纳米结构形式中可能出现的复杂行为。本评论的一个目标是强调这些想法交汇处的机会。
"在这篇评论文章中，我们旨在提供迄今为止通过太赫兹发射探索的基本系统和基本机制的概述，"陈指出。"我们还试图强调在人工结构的系统中设计这种材料和光-物质相互作用对称性的机会，例如质子元表面。"
论文指出，内在的、外在的和混合的材料结构之间的相互作用可能会刺激发现超越现有材料范式的奇异性质和现象。
更多信息：Jacob Pettine et al, Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01163-w
