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科学岛团队研发出一种基于声子的新型单频磁控太赫兹源

1965    2021-11-12    发布者:中国测试杂志社    来源:合肥物质科学研究院

由于其优越的波谱性能,太赫兹(1011~1013Hz)相关技术在通讯、安检、传感、国家安全等领域有着广泛的应用前景,被称为“改变未来世界的十大技术之一”。其广泛的工程应用依赖于多样的太赫兹元器件。相对于成熟的微波与光学技术,太赫兹源、太赫兹调制器、太赫兹探测器等太赫兹核心元器件的开发方兴未艾。
  瞄准太赫兹核心元器件这一前沿研究方向,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心盛志高课题组继2018年发明一种基于二维材料石墨烯的太赫兹应力调制器【Adv. Optical Mater.6, 1700877(2018)】、2020年发明一种基于强关联氧化物的太赫兹宽带光控调制器【ACS Appl. Mater. Inter. 12, 48811(2020)】之后,与该院固体物理研究所、中国科学技术大学组成联合攻关团队,开展了新型太赫兹源的研发。相关研究成果以“Phonon-Related Monochromatic THz Radiation and its Magneto-Modulation in 2D Ferromagnetic Cr2Ge2Te6”为题发表在Advanced Science 2021, 2103229上,并申请了发明专利。
  物质的基本粒子可以分成两种,一种自旋是半整数,被称为费米子(比如电子),另一种自旋是整数,被称为玻色子(比如声子)。目前常见的太赫兹源(如光电导天线、光整流等)均是基于费米子的辐射源,一般发射宽带太赫兹波。相对而言,单频可调谐的太赫兹源有着更为广泛的应用前景,亟待开发。联合攻关团队采用理论与实验相结合的方法,选择二维范德瓦尔斯磁性半导体Cr2Ge2Te6晶体作为基材,创新性地挖掘其范德瓦尔斯层间呼吸声子模(玻色子)的优异特性,研发出了频率为~0.9 THz的单频太赫兹辐射。最为重要的是:一方面,得益于其玻色子特性,该太赫兹辐射源具有“零阈值”,高品质因数和高辐射效率等优点;另一方面,由于二维磁性Cr2Ge2Te6中存在强自旋晶格耦合,磁场可以对该声子单频太赫兹辐射有效地进行调控。
  这一声子单频太赫兹源的成功研发不仅有助于低维磁性材料中声子极化子的理解,而且为新型太赫兹源的实现提供了全新策略。
  强磁场科学中心成龙博士、中国科学技术大学李慧平博士为论文的共同第一作者,强磁场科学中心盛志高研究员、中国科学技术大学朱文光教授、固体物理研究所罗轩研究员为论文的通讯作者。本研究得到了强磁场科学中心张蕾研究员的大力支持,高质量样品由林高庭博士提供。合肥物质科学研究院强磁场科学中心为第一作者和通讯作者单位。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究、强磁场安徽省实验室方向基金和合肥大科学中心高端用户培育基金的支持。

基于范德瓦尔斯phonon-polariton的单频太赫兹辐射示意图


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