导读

近日，复旦大学陶镇生教授、吴义政教授和首都师范大学张岩教授的合作研究团队提出了一种新型的可编程自旋电子学太赫兹光源。这一创新技术能够实现对太赫兹光源的自由编程，从而灵活生成多样化的太赫兹结构光场。该研究采用激光辅助的局部场冷技术，精确调控磁性材料异质结薄膜中微米级尺度的磁畴方向，进而对飞秒激光激发下产生的空间结构光场进行高分辨率的调控。本研究成功展示了多种太赫兹结构光场，如左旋和右旋圆偏振空间分离的广场、径向与角向偏振分布的光场，以及全庞加莱光束（full Poincaré beam）。本工作为设计和产生太赫兹结构光提供了一种新的方法，在太赫兹显微、太赫兹通讯、量子信息以及光物质相互作用方面有着潜在应用价值。该研究成果在卓越计划高起点新刊eLight上发表，题为为“Flexible generation of structured terahertz fields via programmable exchange biased spintronic emitters”。

一、太赫兹结构光场

结构光，即光场的强度、偏振和相位空间分布可定制的光束，在多个领域如成像、显微、通信及光物质相互作用中均有重要应用。太赫兹波因其低光子能量、非电离性和卓越穿透能力而独具优势，其特殊频谱位置使得它能够识别凝聚态物质和生物大分子中的关键信息。因此，太赫兹结构光的产生与调控对于推动太赫兹技术的发展至关重要，例如，携带轨道角动量的太赫兹光场有望进一步拓宽太赫兹通信的带宽。

相较于技术成熟且应用广泛的可见光波段结构光，太赫兹波段的结构光调控面临更多挑战。这些挑战主要来自于太赫兹波的独特性质以及现有技术的限制。由于太赫兹波的波长较长，制造相应大尺寸的液晶或数字微镜空间光调制器的难度增加。在太赫兹波段，被动超构表面元件在自由空间中的使用存在效率降低和带宽限制的问题。虽然已经发展了一些基于飞秒激光激发的太赫兹空间结构光光源，能够产生宽谱、圆偏振及可控波前的太赫兹辐射，但这些光源在调控的灵活性和多样性方面仍然受到限制。为了突破当前的技术限制，需要发展一种新型的太赫兹结构光产生方法。

图表1：通过激光辅助磁编程技术得到的自旋电子学太赫兹源

二、可编程的交换偏置自旋电子学太赫兹源

近日，复旦大学与首都师范大学的联合研究团队取得了重大突破，他们基于自旋电子学太赫兹源，创新性地提出了一种可编程的自旋电子学太赫兹光源。这种太赫兹源采用了独特的三层膜异质结结构，即由反铁磁层、铁磁层以及非磁重金属层精心组合而成。

图表2：从远场结构光场到太赫兹源表面磁化分布的设计策略

该研究的关键在于反铁磁与铁磁层间的交换作用，这种作用赋予了铁磁层磁单向各向异性，使得其在无外部磁场的情况下也能保持稳定的磁化方向，从而打破了过去方法对外部磁场的依赖。此外，团队还开发了一种激光辅助场冷编程技术，能精确改变太赫兹源表面铁磁层微米级尺度内的磁畴方向，进而完成错综复杂的表面磁化图案的编程设置。

值得注意的是，自旋电子学太赫兹源的辐射特性决定了其表面产生的太赫兹电场偏振方向与磁化方向垂直。因此，研究团队能够利用这一特性，通过精确设计磁性图样，在微米级别上实现复杂的太赫兹结构光场的定制。这一创新不仅为太赫兹技术的应用开辟了新的可能性，还将在成像、通信、安全检测等多个领域产生深远影响。

在该工作中，作者团队根据可编程自旋电子学太赫兹源的特性，进一步提出了一种在远场实现特定结构的太赫兹结构光场的设计策略。这一策略的核心在于创新的设计策略，用于在远场实现具有特定结构的太赫兹光场。这一策略的核心，通过对远场电场分布进行反向推算，将其自由空间传播的特性映射到近场电场分布，从而精确推导出太赫兹源表面所需的磁性图样。

依据这一设计策略，研究团队成功地设计并生成了多种复杂的太赫兹结构光场。这些光场包括左旋圆偏振和右旋圆偏振空间分离的太赫兹光场，径向偏振和角向偏振分布的光场，以及全庞加莱光束（full Poincaré beam）等。这些成果不仅展示了该设计策略的有效性和灵活性，还为太赫兹结构光场的设计与生成提供了一种全新的方法。

图表3：可编程自旋电子学太赫兹源产生不同太赫兹结构光的实验和模拟结果

三、前景展望

本研究展示了一种以可编程的交换偏置自旋电子学太赫兹源为基础的太赫兹结构光场生成方法。相较于利用超构表面产生太赫兹结构光场的传统手段，自旋电子学太赫兹源表现出了明显的优势：其制备过程更为简便，且磁化图样可以灵活更改，从而显著降低了生成太赫兹结构光场的成本。然而，当前方法仍存在一些限制，如光强调控的局限性以及在局部区域仅能产生线偏振的太赫兹辐射。展望未来，通过技术的不断创新和改进，这些限制将被逐步突破。例如，在太赫兹源上加工超构表面结构，有望实现对光场的更精细调控。此外，利用空间光调制器对泵浦激光脉冲进行强度调控，可以进一步增强对太赫兹光场的控制能力。随着这些技术的实施，我们预计将能够实现任意太赫兹结构光的产生和精确调控。这将为太赫兹技术的应用带来革命性的进步，包括但不限于提高太赫兹显微镜的空间分辨率，实现高质量的太赫兹全息成像，以及推动太赫兹光谱和探测技术的飞速发展。

相关研究发表于eLight 4, 11 (2024)。我系博士研究生王顺甲、覃文涛、官彤阳和首都师范大学博士研究生刘婧宇为论文第一作者；首都师范大学的张岩和我系教授吴义政、陶镇生为论文通讯作者。该工作获得了复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室、国家科技部、国家自然科学基金委、上海市科委的大力支持与资助。