有望實現高質量太赫茲全息成像，複旦學者開發激光場冷編程技術，突破傳統方法對外部磁場依賴

近日，複旦大學研究員陶鎮生團隊和合作者成功實現一種可編程的自旋電子學太赫茲光源。通過此，他們在同一個器件上，實現了空間結構光的產生和調控，並展現出可編程、可調控、靈活性高的優勢。

之所以能夠實現這一成果，是因為他們巧妙結合了自旋電子學的太赫茲產生源，並利用了材料局域自旋狀態的光學冷場編程能力。

同時，他們還研發出一套新算法，該算法可以根據太赫茲空間結構光場的遠場需求，來設計磁性薄膜局域自旋分佈，並能進行相關的編程。

總的來說，對於產生太赫茲波段的結構光場來說，本次成果具有重要意義。

在日常生活中，通過產生和控制太赫茲結構光場，可以拓展太赫茲頻率通訊的帶寬，以及用於太赫茲雷達的靈活指向。

對於太赫茲光譜學來說，它可以激發凝聚態材料中的晶格共振、以及大分子結構共振。

因此無論是用於產生空間結構、還是用於產生手性太赫茲光場，對於研究這些結構的手性或磁性，將能帶來一定益處。

王順甲是第一作者，複旦大學的陶鎮生教授和吳義政教授、以及首都師範大學的張岩教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：eLight）

據介紹，太赫茲光——是一種頻率介於微波輻射和光波之間的電磁普波域治段。

太赫茲光具有很好的物質穿透能力，又可以攜帶較大的通訊帶寬。因此，處於太赫茲光這一波段的電磁波，在成像、安檢、通訊等領域有著廣泛的應用前景。

為了充分利用太赫茲波的各種優點，就需要針對太赫茲波實現有效的調控。這些調控包括：改變太赫茲輻射的傳播指向、實現太赫茲頻率的空間結構光場等。

空間結構光場，是一種光場偏振狀態呈現出複雜空間分佈的特殊光場。

由於光場具有複雜的空間偏振分佈，這讓空間結構光場可以在傳播中攜帶更多的信息，例如攜帶光場軌道角動量等信息，從而能夠拓展通訊帶寬。

另一方面，對於研究光-物質的相互作用來說，空間結構太赫茲光場亦能提供一種新的實驗工具。

但是，與微波和光波的不同之處在於：要想實現太赫茲電磁波的傳輸和調控，並非一件易事。

例如，針對結構光場進行調控時，太赫茲波段往往需要很厚的液晶、以及需要體積較大光學微鏡來作為部件，這讓其中的控制步驟和加工步驟變得尤為困難。

實現高解像度的磁化模式編程

近年來，結合自旋電子太赫茲發射源和超構表面技術，陶鎮生課題組和吳義政課題組一直在開展合作研究。

此前，他們將自旋電子發射源，製作成一種超構表面結構，在產生太赫茲光波的同時，還能對其偏振和手性實現靈活的調控。

後來，他們探索了對於太赫茲波前狀態和偏振狀態的獨立多維度調控。

同時，該領域的其他學者也利用自旋電子發射源和超構表面技術，產生了太赫茲渦旋光場、太赫茲矢量光場等複雜光場。

但是，陶鎮生等人發現：僅僅將自旋電子太赫茲源與超構表面結合，並不能針對太赫茲光子的自旋和軌道角動量實現同時調控。

主要原因在於：對於外加的宏觀磁場來說，它只能針對整個發射源超構表面結構實現均勻的磁化，無法單獨地調控每個超構表面結構單元的磁化方向。

而且，對於任何一種結構光場的產生，都需要重新設計和重新加工特定的鐵磁薄膜超構表面器件。

而這種微納加工過程往往較為複雜，需要多次將重覆光刻與鍍膜過程相結合。

於是，陶鎮生等人開始設想：能否使用編程的方式，針對發射源表面局域的磁矩進行編程？

這樣一來，既能實現複雜的太赫茲結構光場，又能根據需求針對太赫茲發射源進行編程。

基於這一想法，他們啟動了本次課題。

隨後，通過調研一些磁結構調控的已有成果，陶鎮生發現：使用 IrMn/Py 異質結間所產生的磁交換偏置現象，可以幫助實現磁疇方向的編程。

隨後，他和合作者使用光學平台搭建出一款平台，該平台可以實現微米級別的編程精度。

接著，他們針對磁結構編程的結果進行表徵，包括針對交換偏振強度和編程空間解像度等進行表徵。

在此期間，針對薄膜異質結的厚度和生長條件，該團隊也進行了優化。這時，磁結構編程所需的實驗平台，終於完成搭建和測試。

而為了能夠利用遠場太赫茲結構光場的應用需求，來反推發射源表面磁結構的磁化方向和結構空間分佈，課題組又開發出一套新算法。

接著，他們利用上述編程平台和算法，實現了集中結構光場光源的編程，並在首都師範大學張岩教授的幫助之下，針對遠場太赫茲結構光實現了準確表徵。

對於本次論文其中一位審稿人評價稱：「採用新型可編程的自旋電子發射器，來生成結構化太赫茲波的方法是值得稱讚的，它代表著一項十分有意義的進步。」

在交換偏置鐵磁異質結構中，通過激光輔助局部場冷卻的方法，課題組實現了高解像度的磁化模式編程，預計將在多個領域帶來一定影響。

將努力打造「任意光產生器」

另據悉，陶鎮生目前的任職單位複旦大學，也是他的母校，其本科和碩士均畢業於該校。

2014 年，他在美國密歇根州立大學獲得物理及天文系博士，並在美國科羅拉多大學博得分校從事博士後研究。

2018 年，陶鎮生入選國家級高層次人才計劃和上海市「東方學者」計劃，隨後回到母親複旦大學物理系任職。

回國之後，他主要研究太赫茲、深紫外及軟 X 射線激光。2021 年，他和團隊提出並開發出一種新型自旋電子-超表面太赫茲發射器，借此設計出一種多功能調控的寬譜太赫茲光源。

借此豐富了凝聚態材料的調控手段，拓展了對凝聚態理論的理解，而在當時這一研究還屬於業內首創。

2024 年，他和團隊又完成了本次發在 eLight 的論文成果。

目前，針對太赫茲發射源表面任意區域的磁結構，該課題組都能實現任意方向的調控。從而能夠針對任意區域的太赫茲光場線偏振，實現任意的調控。

但是，這隻是產生遠場太赫茲結構光場的物理基礎。而針對局域發射太赫茲光場的相位，他們依然無法實現任意的調控。

如果能夠實現上述目標，就意味著能夠打造一種基於太赫茲頻率的任意光產生器（arbitrary-wave generator）。

要想實現這一目標，或可通過如下兩個方式實現：

第一種方法，通過研究更多光物質的相互作用，嘗試研製拓撲絕緣體、二維材料等新材料，以便實現更加多樣的太赫茲發射產生機制。

第二種方法，則需要利用飛秒脈衝的激發作用。即利用紅外波段的空間光調製器，針對飛秒脈衝進行調控，這樣一來就能在激發過程之中，引入不同局域的相對相位移動。而這些都將是陶鎮生課題組的未來研究方向。

1.Wang, S., Qin, W., Guan, T.et al. Flexible generation of structured terahertz fields via programmable exchange-biased spintronic emitters. eLight 4, 11 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00069-3

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