来自3-D拓扑绝缘体的可调THz辐射

位于毫米波和远红外频率范围之间的太赫兹(THz)波是一种电磁频带,至今尚未完全识别和理解。北京航空航天大学的吴晓军带领一组研究人员积极寻求理解,产生和控制太赫兹辐射的方法。Wu指出,太赫兹波在扩展实际应用(从成像到信息加密)方面具有巨大潜力,但是由于缺乏足够高效的信号源,太赫兹科学技术的发展受到了阻碍。

Wu的研究小组一直在研究碲化铋(Bi 2 Te 3)的三维拓扑绝缘体,作为有效THz系统的有希望的基础。他们最近系统地研究了飞秒激光脉冲驱动的Bi 2 Te 3纳米膜的太赫兹辐射。他们在Advanced Photonics上发表的报告证明了具有可任意调节的偏振态的手性太赫兹波的有效产生,该偏振态允许控制手性,椭圆率和主轴。

吴认为,碲化铋是未来基于片上拓扑绝缘子的太赫兹系统的理想选择。它已经在太赫兹发射,检测和调制方面展现了极好的前景。经过深入研究的拓扑绝缘体具有特殊的自旋动量锁定表面状态,也可以通过各种因素(例如原子层数)进行精确调整。吴解释说,这种太赫兹源可以有效地辐射线性和圆极化的太赫兹波,并且具有可调节的手性和极化度。这将促进太赫兹科学及其在超快太赫兹光电自旋电子学,基于偏振的太赫兹光谱学和成像,太赫兹生物传感,视距太赫兹通信和信息加密等领域的发展。

Bi2Te3的极化可调THz发射示意图。(a)具有水平线性偏振(HLP),垂直线性偏振(VLP),左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)的飞秒激光脉冲照射到拓扑绝缘体Bi2Te3上并产生偏振可调THz波浪。(b)宏观依赖于螺旋度的光电流,只能产生单向自旋电流。(c)圆偏振激光脉冲照明下的微观电子跃迁。信用:SPIE

线性极化太赫兹波的产生和操纵

Wu的小组系统地研究了由飞秒激光脉冲驱动的拓扑绝缘体Bi 2 Te 3纳米膜的太赫兹辐射。他们发现,线性极化的太赫兹波起源于由线性极化的泵浦光激发拓扑绝缘子后,Bi 2 Te 3中Bi-Te原子之间的电子密度超快重新分布而形成的移位电流。超快移位电流有助于线性极化的THz辐射。由于Bi 2 Te 3的晶格特性,取决于样品的方位角,辐射的太赫兹波始终以三倍的旋转角线性极化。这种可靠性使得通过控制偏振方向上的入射激光来任意操纵THz波偏振角变得非常方便。

Wu解释说,为了产生圆偏振THz脉冲,有必要同时调整泵浦激光的偏振和样品的方位角。当样品方位角固定后,由于固有时间引起的线性光电效应(LPGE)和圆形光电效应(CPGE)的结合,研究人员还获得了具有不同椭圆率和主轴的椭圆太赫兹光束。 LPGE驱动和CPGE驱动的THz电场分量之间的延迟。在他们的期望范围内,他们能够通过改变入射激光的螺旋度来操纵所发射的太赫兹波的手性。

Wu解释说:“依赖于螺旋线的电流是我们获得自旋极化THz脉冲的关键原因,因为我们可以通过改变螺旋线来连续调整其幅度和极性。” 他们的论文中具体讨论了圆偏振THz辐射的实现和控制。

作者们乐观地认为,他们的工作将有助于进一步集体理解飞秒相干控制光-物质相互作用中的超快自旋电流,还将为产生自旋极化的太赫兹波提供有效的方法。Wu指出,极化的操作是朝着在源头上有效调整扭曲的THz波的目标迈出的一步。

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