太赫兹辐射是一种介于红外和微波波段的电磁波，在安全检测、无线通讯和生物分子检测等技术领域具有巨大应用前景。在科学研究方面，由于太赫兹频率覆盖了凝聚态材料和大分子的低能激发元，包括声子、磁激子、激子等，太赫兹光源正在许多研究领域变得越来越受到关注。为了可以在上述应用中充分发挥太赫兹辐射的优势，多维度调控宽谱太赫兹辐射是一个必不可少的能力。例如，如果可以同时具备对宽谱太赫兹脉冲的辐射方向和手性的灵活调控，就可以实现对手性生物大分子的扫描成像和识别。目前，对于太赫兹辐射的调控器件通常仍然具有体积庞大、带宽窄、功能单一不灵活的缺点。因此，开发新一代兼具太赫兹脉冲产生与多功能调控能力的高效率太赫兹光源器件是一个重要的研究方向。 近日，复旦大学陶镇生教授、吴义政教授、周磊教授与田传山教授合作研究团队在Nano Letters上发表了一种基于自旋电子学-超构表面技术的多功能太赫兹光源，实现了宽谱太赫兹脉冲的光束偏转和全偏振调控。 该器件应用了微纳加工技术，将不同结构的铁磁/非磁重金属异质结线栅加工排列成太赫兹“超光栅”结构。当飞秒激光脉冲激发磁性材料异质结时，激光所产生的非平衡自旋流会通过重金属中的逆自旋霍尔效应转化为宽谱的太赫兹辐射，而辐射的偏振垂直于铁磁薄膜的磁化率方向。在该器件的制作过程中，研究人员设计了两套不同的线栅结构（Type-A和Type-B），从微观上调控器件中不同线栅中自旋流的流动以及太赫兹辐射的极化方向，从而调控辐射太赫兹脉冲的特性。在本文所证明的器件中，研究人员通过反向生长Type-A的异质结结构，并预生长了一层纳米级厚度的CoO/NiO反铁磁层。这一方面调控了自旋流的空间流动方向（从铁磁层到重金属层），也通过反铁磁层与铁磁层间的界面交换耦合增大了铁磁材料的矫顽场。从而，可以通过外加磁场的大小，灵活调控该器件中自旋流的流动方向，形成不同周期的超光栅结构，对太赫兹辐射的发射方向产生调制。进一步地，利用异质结线栅结构对电荷流的横向限制效应，实验测量得到，在不同发射角下，垂直于线栅偏振的太赫兹光场相对于平行于线栅的太赫兹光场存在一个的相位差，显示了通过改变外加磁场角度可以调控在不同发射角上的太赫兹辐射的偏振状态，产生圆偏振太赫兹辐射。而当研究者将外加磁场角度调整到不同的相限时，太赫兹辐射的手性也可以得到调节。 在本工作中，研究团队基于自旋电子学-超构表面技术，设计了一种新型的多功能调控的宽谱太赫兹光源，并证明了对太赫兹发射角度和偏振状态的独立调控。需要指出的是，本工作证明的原型器件仅仅展示了上述设计理念的最简单的证明。通过引入更多不同的磁性材料、自旋电子学效应以及更复杂的超构表面设计，本器件有望实现更多复杂的太赫兹光场产生与调控，包括太赫兹涡旋场、超环形场等。 相关论文发表在Nano Letters上，复旦大学博士研究生王顺甲为文章的第一作者， 吴义政教授和陶镇生教授为通讯作者。 论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03906 课题组链接：https://phys.fudan.edu.cn/16/4b/c7605a136779/page.htm