太赫茲自旋光電子專題編者按

(客座編輯: 吳曉君 北京航空航天大學; 王楠林 北京大學)

太赫茲輻射在電磁波譜上位于紅外和微波之間, 頻率通常劃定為0.1—10.0 THz. 太赫茲光子能量低(約4.1 meV (1 THz)), 對應半導體帶內載流子動力學和非線性光學效應所需能量, 對應關聯電子體系中眾多重要的單粒子和集體激發能量尺度, 對應液態水氫鍵網絡的慢弛豫轉動能級, 生物大分子集體振動頻率, 宇宙大爆炸背景輻射的主要能量等. 太赫茲技術不僅可用于研究關聯電子體系的量子多體問題, 水科學和復雜生物體系的能量轉移和轉化問題, 宇宙起源和生命起源的本質問題, 而且在移動通信、檢測病毒、醫療成像、安檢反恐、探索宇宙等方面有著極其重要的應用前景.隨著5G的普及, 6G應用已提上日程. 6G將全面進入太赫茲時代, 太赫茲技術也逐漸走進了大眾的視野, 成為人類認識世界的“第三只眼睛”.

1971年, 人們在鈮酸鋰晶體中獲得了人類歷史上第一束太赫茲脈沖激光. 經過近半個世紀的快速發展, 雖然部分太赫茲技術已逐步從實驗室研究向應用階段過渡, 但太赫茲領域的關鍵瓶頸問題依然沒有得到很好的解決. 高效率輻射源、高靈敏度探測器和功能器件的缺乏, 直接阻礙了太赫茲科學與技術的發展, 成為電磁場與電磁波領域的關鍵核心問題之一. 事實上, 一個國家的太赫茲技術水平很大程度上取決于該國的太赫茲源水平, 進而牽動了其他相關領域的發展. 由于太赫茲源的缺乏, 現有太赫茲研究大多處于弱場被動檢測的線性區, 然而產生強場太赫茲輻射并用其驅動物質發生相變或精確操控物質量子狀態已經成為太赫茲領域重要發展方向.

自旋電子學與太赫茲科技在近二十年來經歷了它們狂熱的青春期, 都領略著自己空前繁榮的輝煌時代. 隨著學科交叉融合的深入, 太赫茲與自旋電子學的聯手正在創造更多的驚喜. 例如, 1)超快激光泵浦的自旋激發太赫茲輻射為低成本、超寬帶、易集成、偏振可調諧的太赫茲輻射源提供了思路; 2)太赫茲時域光譜技術及其與低溫和強磁場的結合, 為磁性系統自旋動力學表征和研究提供了新的方法; 3)利用強太赫茲輻射的電場或磁場分量對磁性或其他物質系統實現非絕熱量子狀態調控是令人非常著迷而熱門的研究課題.

為進一步促進國內同行的交流, 《物理學報》組織出版了“太赫茲自旋光電子”專題, 邀請活躍在本領域的部分專家, 從太赫茲與自旋體系的物理和材料方面, 以不同的視角介紹本領域的最新進展和未來趨勢. 鑒于太赫茲科學與技術和自旋電子學屬于交叉學科, 具有多樣性及復雜性的特點,本專題只能重點介紹太赫茲自旋光電子領域的部分研究成果, 與讀者和同行分享. 從研究內容上,目前可大致分為兩類: 一是探索自旋太赫茲發射物理規律, 尋找下一代新型太赫茲輻射材料; 二是探索太赫茲電磁場和電磁波與自旋材料的相互作用物理和應用.

希望本專題能有助于擴大太赫茲自旋光電子學在海內外華人學者中的影響, 吸引更多學者, 尤其是年輕學者的關注和加入, 為我國在本領域的蓬勃發展增添新生力量.