【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，強(qiáng)場(chǎng)太赫茲技術(shù)在調(diào)控超導(dǎo)體、磁性材料與拓?fù)淞孔硬牧系润w系的物性方面取得一系列突破，為揭示新奇物理現(xiàn)象、調(diào)控材料物性和開發(fā)超快功能器件開辟了新路徑。要精準(zhǔn)捕捉這些瞬態(tài)過程，亟需兼具強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與高信噪比探測(cè)性能的定制化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)這一前沿需求，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置“極端條件光譜測(cè)量-太赫茲與紅外實(shí)驗(yàn)站”太赫茲光譜單元負(fù)責(zé)人汪信波副研究員，基于多年在強(qiáng)場(chǎng)太赫茲調(diào)控與表征方面的積累，自主搭建了多套先進(jìn)的超快泵浦-探測(cè)光譜系統(tǒng)，并與北京大學(xué)王楠林教授課題組合作，首次將基于桌面激光器的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源與劈裂式超導(dǎo)磁體相結(jié)合，構(gòu)建了可在低溫(1.5K)、強(qiáng)磁場(chǎng)(10T)條件下進(jìn)行原位偏振測(cè)量的非線性太赫茲光譜測(cè)量系統(tǒng)[Rev. Sci. Instrum. 95, 103007 (2024)]，顯著拓展了大科學(xué)裝置的測(cè)量能力。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部Hx-Ex1組汪信波副研究員、雒建林研究員，與清華大學(xué)材料學(xué)院李千副教授、南策文院士、李敬鋒教授、南京大學(xué)劉俊明教授合作，在拓?fù)滂F電材料的超快動(dòng)力學(xué)研究方面取得重要突破。通過動(dòng)力學(xué)相場(chǎng)模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PbTiO3/SrTiO3超晶格中的極性斯格明子具有一系列低于2THz的集體動(dòng)力學(xué)模式，其頻譜與基于鈮酸鋰產(chǎn)生的太赫茲脈沖高度匹配。依托太赫茲光譜單元發(fā)展的太赫茲場(chǎng)致二次諧波(TFISH)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)場(chǎng)單周期太赫茲脈沖實(shí)現(xiàn)了與上述集體模式的共振耦合，從而相干地驅(qū)動(dòng)體系進(jìn)入一個(gè)瞬態(tài)的、具有宏觀極化的隱藏極性相，并在4K至470K的超寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)控。更進(jìn)一步，通過干涉式太赫茲場(chǎng)致二次諧波(iTFISH)技術(shù)，成功捕捉到瞬態(tài)極化的多重翻轉(zhuǎn)，并識(shí)別出0.2THz與2.1THz兩個(gè)特征激發(fā)模式。
該工作系統(tǒng)地闡明了拓?fù)滂F電材料中的宏觀非線性光學(xué)響應(yīng)與微觀集體動(dòng)力學(xué)過程之間的內(nèi)在聯(lián)系，不僅揭示了一種全新的光場(chǎng)物態(tài)調(diào)控機(jī)制，也表明極性斯格明子等拓?fù)潴w系是探索豐富超快功能性質(zhì)和構(gòu)筑高性能光電子器件的理想平臺(tái)。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Physics 。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、中央高校青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目(U40)和中國科學(xué)院等的資助，以及綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。
圖：太赫茲脈沖激發(fā)下斯格明子的集體動(dòng)力學(xué)模式與瞬態(tài)極性相。(a)通過太赫茲共振激發(fā)集體振蕩模式誘導(dǎo)瞬態(tài)極性相示意圖。(b)斯格明子集體振蕩模式的動(dòng)力學(xué)相場(chǎng)模擬結(jié)果。(c)測(cè)試裝置示意圖。(d)瞬態(tài)二次諧波響應(yīng)的理論模型。(e)干涉式太赫茲場(chǎng)致二次諧波(iTFISH)測(cè)量結(jié)果。(f)集體振蕩模式的空間運(yùn)動(dòng)模式模擬結(jié)果。(g)斯格明子太赫茲動(dòng)力學(xué)的溫度穩(wěn)定性。
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