三维拓扑绝缘体产生的可调太赫兹波

位于毫米和远红外频率范围之间太赫兹频率范围，至今仍未被完全认识和理解。北京航空航天大学的吴晓君课题组长期以来一直致力于理解、制造和操控太赫兹波。吴教授指出，太赫兹波在从成像到信息加密等各领域均有巨大的应用潜力。然而一直以来，高效太赫兹源的缺乏，限制了其发展。

吴教授的课题组一直试图以碲化铋（Bi2Te3）的三维拓扑绝缘体作为可靠的太赫兹源。近期，课题组系统研究了飞秒激光脉冲驱动下碲化铋纳米膜产生的的太赫兹辐射，成功展示了一种高效产生手性太赫兹波的方法，产生的太赫兹波手性、椭圆度和主轴均可调节。其研究结果发表在Advanced Photonics上。

吴说，碲化铋未来十分有希望用于制造基于拓扑绝缘体的太赫兹嵌入式系统，在太赫兹波发射，探测和调制方面已经显示出极大潜力。这种拓扑绝缘体具有表面态自旋动量锁定的特征，这种表面态可以通过原子层数等进行精确调整。吴解释说，这种太赫兹源可以有效产生线偏振和圆偏振的太赫兹波，其手性和偏振性都可以调节。这项研究成果将推动太赫兹学科在超快太赫兹光电子自旋电子学，基于极化的太赫兹光谱学和成像，太赫兹生物传感，视距无线太赫兹通信和信息加密等领域的发展。

图1 椭圆偏振和圆偏振太赫兹波的产生

线偏振太赫兹波的产生和操控

吴教授的课题组系统研究了飞秒激光脉冲驱动下拓扑绝缘碲化铋纳米膜的太赫兹辐射。他们发现，线偏振泵浦光作用于拓扑绝缘碲化铋，激发了铋-碲原子之间电子密度快速重新分布，从而产生了位移电流，进而产生了线偏振太赫兹波。简言之，太赫兹辐射来自于以超快速度变化的位移电流。由于碲化铋的晶格特性，所产生的太赫兹波总是线性偏振，偏振方向在入射光的偏振方向基础上，旋转了三倍的样品方位角。这种可靠性使得通过控制偏振方向上的入射激光，来任意改变太赫兹波的偏振角变得非常方便。

圆偏振太赫兹波的产生和操控

吴教授说，产生圆偏振太赫兹脉冲需要同时调节泵浦激光偏振方向和样品方位角。当样品方位角固定时，则可得到各椭圆率和主轴沿各方向的椭圆太赫兹波，这是由线偏振光电效应（linear photogalvanic effect, LPGE）和圆偏振光电效应（circular photogalvanic effect, CPGE）结合产生的，成因是线偏振光电效应驱动和圆偏振光电效应驱动的太赫兹电场之间存在固有时间差。研究人员预计，能够通过改变入射激光的螺旋度来操纵所产生的太赫兹波的手性。

吴教授解释说:“与螺旋度相关联的电流是产生自旋极化太赫兹脉冲的关键因素。我们可以通过改变螺旋度来不断调整太赫兹脉冲的幅值大小和偏振方向。”文章对圆偏振太赫兹波的实现和操纵进行了具体的讨论。

研究人员认为，此项工作将有助于进一步理解光与物质相互作用中用飞秒脉冲控制超快自旋电流，同时也提供了一种产生自旋极化太赫兹波的有效方法。吴指出，操纵太赫兹源的偏振将为未来实现有效在源处操纵太赫兹波奠定重要基础。

文章见：Haihui Zhao et al., "Generation and manipulation of chiral terahertz waves in the three-dimensional topological insulator Bi2Te3," Adv. Photon. 2(6), 066003 (2020), doi 10.1117/1.AP.2.6.066003。