產(chǎn)生太赫茲波的非相對(duì)論和非磁性機(jī)制

利用電各向異性導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成太赫茲脈沖的非相對(duì)論機(jī)制（a）、各向異性導(dǎo)體 RuO2 和 IrO2 的電導(dǎo)張量橢圓體（b）以及所產(chǎn)生脈沖的特性（c 和 d）。資料來(lái)源：Zhang, Cui, Wang, et al.，doi 10.1117/1.AP.5.5.056006。

科學(xué)家和工程師們不斷開(kāi)發(fā)出速度更快、功能更強(qiáng)的技術(shù)設(shè)備。但是，我們需要更快、更高效的電子設(shè)備。太赫茲波是電磁波譜中介于紅外線和微波之間的一個(gè)較少被探索的部分，利用太赫茲波是一條很有前途的途徑。太赫茲波對(duì)導(dǎo)電系統(tǒng)中的電荷載流子具有獨(dú)特的敏感性，是了解新材料磁性能的有力探針。

在納米級(jí)界面上對(duì)光誘導(dǎo)的電荷電流進(jìn)行精確的超快控制，可以極大地促進(jìn)對(duì)超快電子學(xué)和相干太赫茲源的探索。

現(xiàn)有的方法，包括反向自旋-霍爾效應(yīng)（ISHE）、反向拉什巴-愛(ài)德斯坦效應(yīng)和反向自旋-軌道-轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，可將磁性材料縱向注入的自旋極化電流轉(zhuǎn)換為橫向電荷電流，從而產(chǎn)生太赫茲波。然而，這些相對(duì)論機(jī)制依賴于外部磁場(chǎng)，存在自旋極化率低和以自旋-霍爾角為特征的相對(duì)論自旋-電荷轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。

在此背景下，發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）上的一項(xiàng)新研究介紹了一種非相對(duì)論和非磁性方法，它直接利用光觸發(fā)的跨界面高密度電荷電流。

這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作由復(fù)旦大學(xué)表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理系、微納光子結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（MOE）、上海量子科學(xué)研究中心、北京師范大學(xué)量子高級(jí)研究中心和物理系的研究人員共同完成。

該研究利用了兩種導(dǎo)電金紅石氧化物的電各向異性：反鐵磁性的RuO2和非磁性的IrO2。這些氧化物的單晶薄膜可以偏轉(zhuǎn)從光激發(fā)金屬薄膜注入的超擴(kuò)散電荷電流，使其從縱向轉(zhuǎn)向橫向。這一過(guò)程可產(chǎn)生高效、寬帶的太赫茲輻射。

研究人員利用各種金屬制造薄膜，發(fā)現(xiàn)鉑（Pt）最有前途。他們制作了 Pt/RuO2(101) 和 Pt/IrO2(101) 薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并測(cè)量了它們的太赫茲振幅?；阢灥南到y(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)三倍，可與基于非線性光學(xué)晶體和光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的商用太赫茲源產(chǎn)生的信號(hào)相媲美。

與依靠將電荷電流轉(zhuǎn)換為自旋極化電流的傳統(tǒng)方法相比，新方法利用了導(dǎo)電材料的固有特性，無(wú)需自旋極化。此外，這種新機(jī)制還具有很高的太赫茲轉(zhuǎn)換效率，可與 ISHE 機(jī)制相媲美。

值得注意的是，使用具有高度各向異性導(dǎo)電性的導(dǎo)電材料是提高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種方法具有更大的靈活性和可擴(kuò)展性，而現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)一步提高重金屬材料的自旋-霍爾角方面受到限制。

這項(xiàng)技術(shù)的意義不僅限于高效太赫茲波的產(chǎn)生。它通過(guò)挖掘金屬界面上高密度電荷電流的潛力，為能量收集、超快電子學(xué)和太赫茲光譜學(xué)帶來(lái)了希望。這將帶來(lái)各種現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，包括太陽(yáng)能電池、人工光合作用和高效光電設(shè)備。

參考資料

Sheng Zhang et al, Nonrelativistic and nonmagnetic terahertz-wave generation via ultrafast current control in anisotropic conductive heterostructures, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.5.056006