近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在強(qiáng)場(chǎng)太赫茲驅(qū)動(dòng)晶體硅中的超快對(duì)稱性操控研究中取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)采用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲電場(chǎng)可操控晶體硅的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到晶體硅中的偶次諧波產(chǎn)生，相關(guān)成果發(fā)表在iScience上。
硅作為重要的半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，硅的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性導(dǎo)致其缺乏線性電光效應(yīng)，一定程度上限制了它在光電領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用。太赫茲波是頻率介于0.1THz到10THz之間的電磁波，處于電學(xué)和光學(xué)的過(guò)度區(qū)域，其光子能量在毫電子伏量級(jí)，能夠與聲子、自旋等耦合。當(dāng)太赫茲場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到MV/cm時(shí)，便可以調(diào)控材料結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)新的物態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波照射單晶硅，同時(shí)探測(cè)紅外激光的諧波譜。當(dāng)二者時(shí)間同步時(shí)，觀測(cè)到紅外激光二次和四次諧波的產(chǎn)生。該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體硅對(duì)稱性的超快無(wú)損調(diào)控，并系統(tǒng)研究了太赫茲電場(chǎng)和硅的晶向?qū)ε即沃C波的影響。強(qiáng)太赫茲電場(chǎng)破壞了硅晶體的反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，誘導(dǎo)硅產(chǎn)生二階電極化率，進(jìn)而產(chǎn)生了偶次諧波。由于太赫茲波段的特殊性，這種對(duì)稱性調(diào)控是皮秒時(shí)間尺度，且無(wú)損可逆的。該研究對(duì)理解太赫茲頻段半導(dǎo)體材料的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及它們?cè)陔娮訉W(xué)和光學(xué)集成中的相關(guān)應(yīng)用具有重要意義，也為強(qiáng)場(chǎng)太赫茲驅(qū)動(dòng)下的物性調(diào)控研究拓展思路。
相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、中科院儀器設(shè)備研制項(xiàng)目等支持。
圖1 原理示意圖
圖2 太赫茲作用下硅的頻譜圖(a)與時(shí)域圖(b）
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