近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室在強場太赫茲驅(qū)動晶體硅中的超快對稱性操控研究中取得進展。研究團隊采用強場太赫茲電場可操控晶體硅的結(jié)構(gòu)對稱性，在實驗上觀測到晶體硅中的偶次諧波產(chǎn)生，相關成果發(fā)表在iScience上。
硅作為重要的半導體材料被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的各個領域。然而，硅的結(jié)構(gòu)對稱性導致其缺乏線性電光效應，一定程度上限制了它在光電領域更為廣泛的應用。太赫茲波是頻率介于0.1THz到10THz之間的電磁波，處于電學和光學的過度區(qū)域，其光子能量在毫電子伏量級，能夠與聲子、自旋等耦合。當太赫茲場強達到MV/cm時，便可以調(diào)控材料結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)新的物態(tài)。
研究團隊利用強場太赫茲波照射單晶硅，同時探測紅外激光的諧波譜。當二者時間同步時，觀測到紅外激光二次和四次諧波的產(chǎn)生。該研究實現(xiàn)了對晶體硅對稱性的超快無損調(diào)控，并系統(tǒng)研究了太赫茲電場和硅的晶向?qū)ε即沃C波的影響。強太赫茲電場破壞了硅晶體的反轉(zhuǎn)對稱性，誘導硅產(chǎn)生二階電極化率，進而產(chǎn)生了偶次諧波。由于太赫茲波段的特殊性，這種對稱性調(diào)控是皮秒時間尺度，且無損可逆的。該研究對理解太赫茲頻段半導體材料的超快動力學過程以及它們在電子學和光學集成中的相關應用具有重要意義，也為強場太赫茲驅(qū)動下的物性調(diào)控研究拓展思路。
相關工作得到了國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金、中科院儀器設備研制項目等支持。
圖1 原理示意圖
圖2 太赫茲作用下硅的頻譜圖(a)與時域圖(b）
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