太赫茲時域光譜系統在材料物理實驗教學中的應用

張 朋,韓 彪,吳 韜,韓修林,吳言寧

(阜陽師范大學 物理與電子工程學院,安徽 阜陽 236031)

高校作為培養人才和科技創新的主陣地,擁有豐富的科教資源。近年來,國家不斷加大對高校科學研究和學科建設的投入,因此,高校也通過政府投入不斷完善教學和科研方面硬件和軟件設施。實驗教學作為培養學生創新思維和科研能力的重要手段,科研平臺在創新型人才培養方面發揮了重要作用。阜陽師范大學應用物理學專業堅持基礎研究面向學科前沿,應用研究立足行業發展的宗旨,以培養較高創新能力和應用型人才為目標。本文以阜陽師范大學應用物理學專業人才培養目標為基準,將科學儀器融入本科實驗教學,加強教育、科技、人才培養的聯動性,將課程思政元素融入教學全過程,探究太赫茲時域光譜系統在材料物理實驗教學中的應用,建立踐行“手腦并舉、知行合一”的實踐教學模式,提升應用型人才培養質量。

1 應用物理學專業理論課程和實驗教學的特點

應用物理學專業開設材料物理實驗方面的課程,該課程依據材料類行業發展需求,堅持立德樹人,系統掌握數學、自然科學和材料專業基礎知識及實踐技能。應用物理學專業課程的教學內容基本上可分為理論教學和課內實驗或者與專業課相結合的課程實驗。該專業開設材料物理實驗的課程包括材料的制備與測試的基本物理方法與技術等內容,通過綜合性、研究式實驗的訓練,培養學生的科研能力。旨在培養學生掌握新材料、新工藝、新過程的研究、開發和設計方法與技能,能在材料、化工、能源和環保等領域中開展科學研究和創新設計。

材料是人類物質文明的基礎,也逐漸成為電子信息、生命科學、冶金制造、能源利用、航空航天等領域發展的關鍵因素。材料人逐夢前行,突破碳化硅復合材料、碳基復合材料等材料方面卡脖子技術。將工科實驗課程與課程思政相結合,將學科前沿領域科研儀器應用于專業實驗教學,實踐與科研并舉,用科學家精神涵養大學生報國情懷,發展和完善“勞育—思政—專業”三位一體的人才培養途徑,使得培養的學生不僅具有面向社會需求的實踐技能,而且強化了學生使命擔當意識。在材料物理實驗中,光學探測方法一直以來都是表征材料性能、研究材料性質的重要手段。

太赫茲波是指頻率處于1012Hz量級的電磁波,通常是指電磁波譜上位于微波和紅外線之間的電磁波輻射,介于光子學和電子學之間的波段。太赫茲時域光譜技術是一種新興的無接觸、無損傷探測技術。太赫茲時域光譜測量的是太赫茲脈沖時域電場強度,將太赫茲脈沖時域電場波形進行傅里葉變換可以得到太赫茲脈沖頻域的分布,進而解析出材料中電學、光學、磁學以及其微結構信息,從而被廣泛地應用于太赫茲輻射與物質的相互作用的研究中。目前高校大型科研儀器與本科教學實驗相結合研究較少,不利于科研型和創新型人才培養,通過科研平臺與實驗課程相結合,引導學生關注課程前沿熱點,激發學生學習興趣,從而有利于提高學生科研素養和綜合能力。

2 太赫茲時域光譜測量系統工作原理

太赫茲時域光譜的系統示意圖如圖1所示,該系統主要包括產生激光的飛秒激光系統、發射太赫茲的太赫茲發射器以及太赫茲探測器。在該系統中利用飛秒激光器,通過光學脈沖波前傾斜技術,在LiNbO3晶體上產生脈沖能量1.5微焦、峰值電場強度300kV/cm左右的亞皮秒脈寬的太赫茲脈沖。在該系統中采用的太赫茲發射器為太赫茲光電導天線,另一種是碲化鋅晶體(ZnTe)。太赫茲光電導天線是用低溫生長的GaAs晶片制作光電導天線。飛秒激光照射在兩電極間的GaAs上產生光生載流子。在兩電極間加上電壓,這些光生載流子就會在兩電極間的電場作用下加速。由于低溫生長的GaAs中的載流子壽命很短,被加速的電子很快復合并輻射出皮秒量級脈寬的電磁波,即太赫茲波。在該系統中采用太赫茲探測器,本實驗室中采用的是基于碲化鋅(ZnTe)的電光檢測。探測光通過1/2波片后成為線偏振,線偏振光通過ZnTe后,利用1/4波片將其變成圓偏振,再通過偏振棱鏡把圓偏振光分成兩束相等且垂直的分量。在無太赫茲輻射情況下,兩束光分量是等值的,其光強差為零。若有太赫茲輻射存在,線偏振光通過ZnTe晶體后變成橢圓偏振,兩個光偏振分量的光強差就不為零。測量兩個光偏振分量的光強差所得到的信號正比于太赫茲電場。因此,通過該檢測裝置就能夠實時的記錄太赫茲電場強度的變化。系統中的鎖相放大器用來控制加在GaAs光電導天線上的電壓,同時把探測器得到的兩個偏振光分量轉換成所對應的太赫茲電場的值。

圖1 太赫茲時域光譜系統示意圖

3 太赫茲時域光譜測量系統的在材料物理實驗中的應用

太赫茲時域光譜測量系統不僅可以應用于研究材料在太赫茲頻譜范圍、皮秒時間尺度上自旋動力學過程,也可以應用在應用物理學專業材料物理性能測試實驗教學中。

3.1 太赫茲時域光譜中的參數抽取,培養學生數據分析的能力

利用太赫茲時域光譜測量樣品時,得到的是太赫茲波透過樣品后的時域電場強度。那么,根據得到的太赫茲時域電場強度抽取出材料的復折射率、介電函數和復電導率等參數的方法如下:

首先把得到的樣品信號Es(t)和參考信號Er(t)進行傅里葉變換得到太赫茲電場強度頻譜,即Es(ω)和Er(ω)。在頻率空間里,透過樣品后的太赫茲電場強度和參考信號的太赫茲電場強度的比值就為透射率T(ω)=Es(ω)/Er(ω)。如圖2所示,太赫茲電場透過樣品后可以表示為:

圖2 太赫茲波透過介質1和3中無樣品和有樣品情況時的光路示意圖

其中,η(ω)包含所有在介質中的反射和透射系數的常數;

光在介質a和介質b的界面處的反射率:

從介質a透過介質b時的透射率:

光在介質a中傳播距離為d時的傳播系數:

若忽略太赫茲波在介質1和介質3中的反射,參考信號的太赫茲電場強度為:

Er(ω)=η(ω)·T13(ω)·Pair(ω,L)·E(ω)(1.2)

那么,樣品對太赫茲波的透射系數為:

ε1=n2-κ2

(1.4a)

ε2=2nκ

(1.4b)

σ1(ω)=2nκωε0

(1.5a)

σ2(ω)=(ε∞-n2+κ2)ωε0

(1.5b)

公式1.5中ε0為真空中的介電常數,ε∞為高頻介電常數,該常數可以直接從擬合中得出。

對于薄膜樣品,復電導率還可以從Tinkham formula公式中得到:

其中,Z0=377Ω為自由空間阻抗;L薄膜樣品厚度;nsub為襯底的折射率。

通過太赫茲樣品測試中的數據解析,可以培養學生的實踐操作能力和數據分析能力,改變了教師教授、學生學習的傳統教學模式,推動以實踐應用為目標的師生共同學習模式。

3.2 典型樣品的太赫茲時域光譜實驗,培養學生實驗創新能力

以ZnCr2Se4、CoCr2O4等為代表的鉻基尖晶石(ACr2X4)磁性材料具有幾何或鍵阻挫,展現出鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁等多種磁有序及磁電耦合效應。另外,該體系在一定溫度下具有磁致伸縮、負熱膨脹等物理現象。因而,傳統的鉻基尖晶石體系材料在最近幾年重新受到廣泛關注。鉻基尖晶石磁阻挫體系涵蓋的方面非常廣泛。學生在實驗過程中,結合國內外研究現狀提出問題,通過文獻調研分析問題,結合實驗解決問題,從而促進學生科學思維的形成。因此,需要開展該體系材料的深入研究。

結合固體物理學課程分析物質內部結構的性能,進一步探索該體系材料的物理內涵。根據不同組成元素體系,可以有不同的阻挫類型,即幾何阻挫和鍵阻挫。其中,幾何阻挫往往存在晶格常數相對較小的氧族尖晶石中,這些體系最大的特點是出現多重簡并度基態,即自旋冰、自旋液態等。此外,還廣泛表現出奇特的分數磁化峰態。然后,當晶格常數增大,過渡到鍵阻挫為主的體系。然而,介于微波和紅外波段之間,即太赫茲波段(0.1～10THz)的自旋共振、自旋弛豫等相關研究對于該體系而言至今依然很少。例如,在零磁場下,ZnCr2Se4材料呈現出縱向本征螺旋結構,外加磁場可誘導出圓錐狀螺旋態。理論上,8 T以上的強磁場還有可能引起自旋液晶態,如圖3(a)所示。低磁場及微波波段自旋共振實驗無法完整揭示其磁結構演化,其進一步深究亟待更高磁場、更高波譜范圍磁動力學研究。美國研究小組利用太赫茲磁光光譜技術首次在FeSc2S4材料中觀察到各向異性的太赫茲波段磁共振劈裂,通過仔細比較磁場方向和共振吸收關系,發現了自旋液態。該工作為阻挫自旋態的觀察提供了一個新思路。如圖3(b)所示,太赫茲光譜實驗在5～10 T磁場范圍觀察到ZnCr2Se4單晶中的太赫茲波段磁共振,并發現了類似FeSc2S4的各向異性。初步實驗表明,在太赫茲波矢垂直外磁場條件下,其磁共振能量和磁場強度關系符合螺旋自旋態磁共振理論。而在波矢平行外磁場情況下,8 T以上磁場引起異常劈裂。學生可以拓展思維通過理論模型計算解釋劈裂的物理機制,從而為探索強磁場下螺旋磁結構自旋動力學行為及揭示新奇自旋態提供理論基礎。

圖3 ZnCr2Se4樣品相圖及其磁共振與磁場關系圖

為了進一步研究該體系材料的有趣的物理現象,培養學生去思考同樣具有尖晶石結構的CoCr2O4亞鐵磁材料在太赫茲波段的特性。該材料磁結構由兩套相反排列的次晶格磁矩組成,二者協同進動形成交換磁子,能量處于太赫茲波段。最近的研究發現,通過飛秒激光脈沖調控交換磁子,可實現磁矩在皮秒時間尺度上的超快反轉,進而為超快磁調控技術開拓了新途徑。然而,這種亞鐵磁中的磁矩反轉機制尚不清楚,亟待交換共振自旋弛豫過程的深入理解。交換共振一般處于紅外或太赫茲波段,其左手進動特性有助于發展太赫茲旋光器件,彌補該波段偏振光學元件的匱乏。最近,研究者通過太赫茲時域磁光光譜研究了不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉變化,單晶樣品在低溫和高達8 T磁場下的透射光譜,觀察到亞晶格交換磁子共振,并初步觀察到其旋光效應如圖4所示。圖4中(a),(b),(c),(d)表示不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉變化,其中(a)為線偏振參考信號,(e)和(f)代表亞鐵磁結構材料中磁共振模式,(e)表示鐵磁共振,(f)表示交換磁子共振。這種太赫茲旋光探測有望應用于亞鐵磁材料中的相干磁反轉動力學研究。然而,強磁場下的出現的新的磁特性現象的理論研究工作很少,CoCr2O4樣品強磁場下的磁化機理以及磁光效應需進一步深入研究,從而有望獲得交換磁子相關的光學手征性,進一步探究其自旋弛豫和自旋調控動力學。

圖4 不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉變化圖

學生通過實驗可以領悟到科學研究的創新來源于理論和實驗的結合,結合低溫和強磁場的極端條件對樣品的調控,以鉻基尖晶石磁阻挫體系產生的新奇物理現象為出發點,為深入探究新奇自旋態提供理論解釋,在該課程中獲得的科學思維可將其應用在日常生活的許多領域,提高他們的學習效率和生活質量。

4 結語

科學技術的飛速發展離不開材料科學的支撐,社會的需求對高校及科研院所人才培養帶來了新的機遇和挑戰,如何培養具有創新意識和適應行業發展的工匠大師是目前高校發展所需要探究的課題。將太赫茲時域光譜系統應用于應用物理學專業的本科實驗教學,既可以培養學生探究科研的興趣,又可以以材料科學領域“卡脖子”技術激發學生科技報國的實名擔當,同時還可以踐行“手腦并舉、知行合一”的實驗教學模式,提高實驗課堂教學效果。