【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】由于其優(yōu)越的波譜性能，太赫茲(1011~1013Hz)相關技術在通訊、安檢、傳感、國家安全等領域有著廣泛的應用前景，被稱為“改變未來世界的十大技術之一”。其廣泛的工程應用依賴于多樣的太赫茲元器件。相對于成熟的微波與光學技術，太赫茲源、太赫茲調制器、太赫茲探測器等太赫茲核心元器件的開發(fā)方興未艾。
瞄準太赫茲核心元器件這一前沿研究方向，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心盛志高課題組繼2018年發(fā)明一種基于二維材料石墨烯的太赫茲應力調制器【Adv. Optical Mater.6, 1700877(2018)】、2020年發(fā)明一種基于強關聯(lián)氧化物的太赫茲寬帶光控調制器【ACS Appl. Mater. Inter. 12, 48811(2020)】之后，與該院固體物理研究所、中國科學技術大學組成聯(lián)合攻關團隊，開展了新型太赫茲源的研發(fā)。相關研究成果以“Phonon-Related Monochromatic THz Radiation and its Magneto-Modulation in 2D Ferromagnetic Cr2Ge2Te6”為題發(fā)表在Advanced Science 2021, 2103229上，并申請了發(fā)明專利。
物質的基本粒子可以分成兩種，一種自旋是半整數(shù)，被稱為費米子(比如電子)，另一種自旋是整數(shù)，被稱為玻色子(比如聲子)。目前常見的太赫茲源(如光電導天線、光整流等)均是基于費米子的輻射源，一般發(fā)射寬帶太赫茲波。相對而言，單頻可調諧的太赫茲源有著更為廣泛的應用前景，亟待開發(fā)。聯(lián)合攻關團隊采用理論與實驗相結合的方法，選擇二維范德瓦爾斯磁性半導體Cr2Ge2Te6晶體作為基材，創(chuàng)新性地挖掘其范德瓦爾斯層間呼吸聲子模(玻色子)的優(yōu)異特性，研發(fā)出了頻率為~0.9 THz的單頻太赫茲輻射。最為重要的是：一方面，得益于其玻色子特性，該太赫茲輻射源具有“零閾值”，高品質因數(shù)和高輻射效率等優(yōu)點；另一方面，由于二維磁性Cr2Ge2Te6中存在強自旋晶格耦合，磁場可以對該聲子單頻太赫茲輻射有效地進行調控。
這一聲子單頻太赫茲源的成功研發(fā)不僅有助于低維磁性材料中聲子極化子的理解，而且為新型太赫茲源的實現(xiàn)提供了全新策略。
強磁場科學中心成龍博士、中國科學技術大學李慧平博士為論文的共同第一作者，強磁場科學中心盛志高研究員、中國科學技術大學朱文光教授、固體物理研究所羅軒研究員為論文的通訊作者。本研究得到了強磁場科學中心張蕾研究員的大力支持，高質量樣品由林高庭博士提供。合肥物質科學研究院強磁場科學中心為第一作者和通訊作者單位。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究、強磁場安徽省實驗室方向基金和合肥大科學中心高端用戶培育基金的支持。
基于范德瓦爾斯phonon-polariton的單頻太赫茲輻射示意圖
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