中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸亞林量子功能材料和先進(jìn)光子技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在太赫茲主動(dòng)調(diào)控器件研究方面取得系列進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)研究了太赫茲波與超構(gòu)材料、氧化物超晶格薄膜相互作用機(jī)制，并成功制備了超快的太赫茲調(diào)制器，率先實(shí)現(xiàn)了皮秒級(jí)的高調(diào)制深度的太赫茲超快開關(guān)；同時(shí)制備了多功能的太赫茲器件，在單一器件中實(shí)現(xiàn)電開關(guān)、光存儲(chǔ)和超快調(diào)制多種功能。相關(guān)研究成果近期相繼發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)光學(xué)材料》[Adv. Optical Mater.]和《光學(xué)快訊》[Opt. Express.]上。

太赫茲波具有獨(dú)特的時(shí)域脈沖、低能、譜指紋、寬帶等特性，它在物理化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、安全檢查、衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其中，影響太赫茲技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一是難以獲得主動(dòng)太赫茲調(diào)控元器件。超構(gòu)材料，一種由金屬或介質(zhì)材料的亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)陣列組成的人工材料，其奇異的電磁響應(yīng)特性為太赫茲調(diào)控器件提供了絕佳的解決方案。遺憾的是，以往基于超構(gòu)材料的太赫茲元器件均由金屬材料構(gòu)成，加工尺寸固定后，器件的功能在實(shí)際應(yīng)用中便難以主動(dòng)改變。因此，發(fā)展主動(dòng)調(diào)控的太赫茲元器件有著重要的研究意義。

通常主動(dòng)調(diào)控是對(duì)太赫茲波偏振、振幅、相位等進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控速度是另外一個(gè)指標(biāo)。一些實(shí)際應(yīng)用也迫切需求對(duì)太赫茲波進(jìn)行超快調(diào)控。陸亞林團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了基于硅介質(zhì)的超快調(diào)控超表面。通過對(duì)硅薄膜進(jìn)行離子注入和快速熱處理工藝，大大減小了硅的載流子壽命并提高了自由載流子濃度。然后通過光刻、刻蝕工藝將硅薄膜加工為能在太赫茲波段共振的圓盤陣列結(jié)構(gòu)的超表面。利用紅外飛秒脈沖的激發(fā)，率先實(shí)現(xiàn)了皮秒級(jí)的高調(diào)制深度的太赫茲超快開關(guān)（開20ps，關(guān)300ps），并基于半導(dǎo)體載流子動(dòng)力學(xué)建立理論模型對(duì)其進(jìn)行了合理的解釋。相關(guān)研究成果近日在《先進(jìn)光學(xué)材料》期刊上線[Adv. Optical Mater. 2018, DOI:10.1002/adom.201800143]。

硅介質(zhì)超表面器件示意圖以及其對(duì)太赫茲波超快調(diào)控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

另外，當(dāng)前研究的太赫茲主動(dòng)調(diào)控器件功能比較單一，即只能在單一外場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)單一的功能。但單一功能難以適應(yīng)當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的要求。因此，在單一器件上，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的多功能調(diào)控，是當(dāng)前太赫茲技術(shù)的發(fā)展前沿之一，也是實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求。有鑒于此，該團(tuán)隊(duì)基于VO₂的絕緣-金屬相變，通過將VO₂與金屬非對(duì)稱開口諧振環(huán)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種太赫茲波段的多功能可調(diào)諧復(fù)合超表面，并利用國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室副研究員鄒崇文提供的高質(zhì)量VO₂薄膜，通過刻蝕、光刻等工藝制備了器件。此復(fù)合超表面能夠通過加熱和施加電流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)透射太赫茲波的振幅調(diào)控，絕對(duì)調(diào)制深度高達(dá)54%，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)138%。基于VO₂在相變過程中的回滯特性，該復(fù)合超表面可以通過電流觸發(fā)實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)太赫茲波的記憶存儲(chǔ)功能。此外，利用超快強(qiáng)脈沖泵浦，此復(fù)合超表面還能實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的超快調(diào)控。從而，在單一器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的多功能調(diào)控。相關(guān)研究成果近日在《先進(jìn)光學(xué)材料》期刊上線[Adv. Optical Mater. 2018, DOI: 10.1002/adom.201800257]。

金屬-VO₂復(fù)合超表面器件示意圖及其電開關(guān)、光存儲(chǔ)功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此外，很多材料在太赫茲波段的響應(yīng)仍是未知的，而只有研究清楚了各類材料與太赫茲波相互作用的特性，設(shè)計(jì)主動(dòng)太赫茲器件才能有跡可循。該團(tuán)隊(duì)利用自行搭建的兩套太赫茲系統(tǒng)測(cè)量并分析了量子功能材料與太赫茲波的相互作用。重點(diǎn)研究了不同周期數(shù)的La_0.7Sr_0.3MnO₃/ SrTiO₃超晶格薄膜的太赫茲響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了532 nm連續(xù)激光的泵浦對(duì)此超晶格在太赫茲波段的介電常數(shù)具有較大的調(diào)控作用，并通過Drude-Lorentz模型的擬合對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了微觀機(jī)理的解釋，這為尋找新的可用于太赫茲主動(dòng)調(diào)控器件的功能材料開辟了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《光學(xué)快訊》[Opt. Express. 26, 7842 (2018)]上。

La_0.7Sr_0.3MnO₃/ SrTiO₃超晶格薄膜在太赫茲波段的介電常數(shù)和激發(fā)光功率關(guān)系

上述論文的第一作者為合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)中心博士研究生蔡宏磊，通訊作者為黃秋萍、陸亞林。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部等關(guān)鍵項(xiàng)目的資助。