Light | 太赫兹发射光谱探索新兴对称破缺材料

▍撰稿：张天宇（电子科技大学）

图1：对称性破缺材料中的太赫兹脉冲发射

● 对称性

毫不夸张地说，对称性也许是自然世界运行规律中最重要的一种特性。特别地，在以数学和物理学为代表的众多学科和研究方向中，对称性似乎无处不在。事实上，从中小学时期开始，我们就已经大量涉及关于对称性的概念，如：坐标轴对称性、平移对称性和旋转对称性等。在物理学中，对称性是指，当某一体系在某些变换下具有数学或者物理规律上的不变性，并且各自满足相应的守恒定律。而在数学中，这些对称性满足的规律可以用群论来描述，如李群和有限群等。

在凝聚态材料体系中，当这些对称性被打破时，往往会出现许多新奇的特性和现象，如磁性、铁电性和超导电性等。为了研究这些材料体系中的对称性，人们往往会利用X射线、中子和电子散射等技术，来探测晶体材料中与晶格、磁性和电荷序相关的特性。除此之外，非线性光学手段也是用于探测对称性的有效途径之一。而这里提到的非线性特性，是指材料对于入射电磁场的二阶、三阶或者更高阶的光学响应。利用这些非线性特性，可以描述那些利用常规线性手段所无法观测的新奇物理特性。而下面即将提及的太赫兹（terahertz，1 THz = 10¹² s⁻¹）发射光谱技术就是这类方法中的典型代表。

基于以上研究背景，近期，来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的陈侯通（Hou-Tong Chen）课题组以“Ultrafast Terahertz Emission from Emerging Symmetry-Broken Materials”为题在Light：Science & Applications发表综述文章。

这篇文章系统梳理了近年来利用太赫兹发射光谱来揭示新型材料中基本特性和复杂动力学行为的相关研究。其中包括量子材料（如超导体和磁性材料等），以及低维材料（如石墨烯和金属纳米结构等），此外还重点强调了对称性在相关研究中的重要性，以及可以利用材料体系的本征和外部（如人工微纳结构等）属性来设计其相关特性。

作为一种新兴的研究方法，太赫兹发射光谱可以用于研究新型材料系统中的稳态和超快动力学特性，它可以给出很多其它手段无法揭示的信息。其中，最关键的概念是整流效应（Rectification），其给出了如何将工作频率在光频率的高频电磁场下转换至低频电磁场。这种行为与电路中将交流信号转化至直流信号有一定的相似性，其中后者可以为电子学器件和电池供能。而整流过程的出现正与对称性破缺紧密相关，其中相对常见的一般是空间反演对称性，除此之外，在磁性系统中时间反演对称性也会出现破缺。

简单来说，产生太赫兹发射需要材料在空间和/或时间中具有一定的方向性。因此，如果太赫兹辐射能够被产生，就能够得到所研究的材料系统中关于对称性的信息。通过测量太赫兹发射信号对于入射光偏振、频率和幅值等参数的依赖性，能够详细地得到材料中的结构、电学和磁学等性质，以及其中的光和物质相互作用。

图2：基于对称性破缺材料实现太赫兹发射光谱的基本原理。

本文中的另一个主题是关于材料中本征（如原子晶格等）和外部（如人工结构等）属性的相互作用。其中，人工结构可能引入新的对称性，并且进一步增强原来材料本身相对较弱的太赫兹响应，实现较强的太赫兹发射。

陈侯通表示，这篇综述文章致力于为目前太赫兹发射相关研究中的重要材料体系和基本物理机制进行总结。同时，也试图强调在人工结构系统中，对材料以及光和物质相互作用中对称性进行设计的新机遇，如等离激元超表面。

本文表明，这种基于新兴材料本征、外部以及复合材料结构中的相互作用，可能会激发人们进一步探索更为复杂多样的物理性质和现象，有望超出现有材料研究的范式。

| 论文信息 |

Pettine, J., Padmanabhan, P., Sirica, N. et al. Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials. Light Sci Appl 12, 133 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01163-w

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