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超强激光科学卓越创新简报

(第二百四十九期)

2022年1月29日

上海光机所在强场太赫兹对晶体硅的对称性操控方面取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在强场太赫兹驱动晶体硅中的超快对称性操控研究中取得进展。研究团队采用强场太赫兹电场可操控晶体硅的结构对称性，在实验上观测到晶体硅中的偶次谐波产生，相关成果发表在iScience上。

　　硅作为重要的半导体材料被广泛应用于现代工业和信息产业的各个领域。然而，硅的结构对称性导致其缺乏线性电光效应，一定程度上限制了它在光电领域更为广泛的应用。太赫兹波是频率介于0.1THz到10THz之间的电磁波，处于电学和光学的过度区域，其光子能量在毫电子伏量级，能够与声子、自旋等耦合。当太赫兹场强达到MV/cm时，便可以调控材料结构，使其呈现新的物态。

　　研究团队利用强场太赫兹波照射单晶硅，同时探测红外激光的谐波谱。当二者时间同步时，观测到红外激光二次和四次谐波的产生。该研究实现了对晶体硅对称性的超快无损调控，并系统研究了太赫兹电场和硅的晶向对偶次谐波的影响。强太赫兹电场破坏了硅晶体的反转对称性，诱导硅产生二阶电极化率，进而产生了偶次谐波。由于太赫兹波段的特殊性，这种对称性调控是皮秒时间尺度，且无损可逆的。该研究对理解太赫兹频段半导体材料的超快动力学过程以及它们在电子学和光学集成中的相关应用具有重要意义，也为强场太赫兹驱动下的物性调控研究拓展思路。

　　相关工作得到了国家自然科学基金委优秀青年基金、中科院仪器设备研制项目等支持。

　　原文链接

图1 原理示意图

 

图2 太赫兹作用下硅的频谱图(a)与时域图(b）

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