我國科研人員取得重大突破，成功研發(fā)出一款新型自旋電子器件，為太赫茲（THz）技術(shù)發(fā)展帶來新契機(jī)。
太赫茲波介于微波和紅外光之間，它有很多神奇的本領(lǐng)。比如能穿透衣服、紙張這些非金屬材料，還能在不造成傷害的前提下，探測生物分子結(jié)構(gòu)，在安檢、醫(yī)療成像和超快無線通信領(lǐng)域大有用處。但要充分發(fā)揮太赫茲技術(shù)的潛力，就得控制太赫茲波的偏振方向，也就是它振動的方向。以前控制太赫茲偏振，通常要借助波片、超材料等體積龐大的外部設(shè)備，不僅效率低、頻率范圍有限，還不適合小型化或集成化系統(tǒng)。
近期，北京航空航天大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)光子學(xué)》雜志上發(fā)表研究成果。他們研制出一種新型自旋電子太赫茲發(fā)射器，通過微觀條紋設(shè)計(jì)，在太赫茲波產(chǎn)生過程中就能控制其手性（類似左右旋特性），把偏振調(diào)節(jié)功能融入到設(shè)備的物理設(shè)計(jì)中，簡化了系統(tǒng)，功能也更強(qiáng)大。
這款發(fā)射器由鎢、鈷鐵硼、鉑等薄膜層構(gòu)成。當(dāng)受到超快激光脈沖照射時(shí)，材料會產(chǎn)生自旋電流，再通過逆自旋霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電荷。發(fā)射器上的微觀條紋會改變電荷分布，形成內(nèi)部電場，影響太赫茲波的振幅和相位。研究人員通過設(shè)計(jì)不同的條紋排列方式，不用外部光學(xué)元件就能精確調(diào)節(jié)偏振。
使用時(shí)，只要旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，就能靈活高效地在不同偏振狀態(tài)間切換，像線性、橢圓和圓偏振狀態(tài)都能輕松實(shí)現(xiàn)。而且在0.74 - 1.66太赫茲的寬頻率范圍內(nèi)，它都能保持高質(zhì)量的圓偏振，橢圓率大于0.85，在寬帶偏振控制方面表現(xiàn)出色。
研究團(tuán)隊(duì)制作并測試了7種不同條紋縱橫比的發(fā)射器，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)測量不同圖案對發(fā)射太赫茲偏振的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，條紋縱橫比越大，內(nèi)部電場越強(qiáng)，對偏振的控制效果越好。大縱橫比的發(fā)射器能產(chǎn)生可調(diào)節(jié)偏振的太赫茲波，通過調(diào)整條紋圖案的方位角，還能精確切換左旋和右旋圓偏振。
這項(xiàng)創(chuàng)新成果意義重大，在無線通信領(lǐng)域，通過偏振復(fù)用技術(shù)能讓數(shù)據(jù)傳輸速率翻倍；在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，能更精準(zhǔn)地檢測生物分子，實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷；在量子光學(xué)、精密傳感等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，也有望憑借其更高的測量靈敏度取得突破。而且這款發(fā)射器設(shè)計(jì)緊湊高效，非常適合片上集成，為實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、低成本的太赫茲設(shè)備邁出了關(guān)鍵一步。后續(xù)研究將聚焦于優(yōu)化發(fā)射器的頻率選擇控制，為先進(jìn)光子和無線系統(tǒng)開拓更多可能性。
參考資料：DOI：1117.1/7.AP.2.026007
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