关联电子材料多场调控下的太赫兹光谱研究

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太赫兹科学技术作为一种新兴交叉学科领域,承接了宏观电子学和微观光子学。太赫兹波具有比毫米波高几个量级的频谱带宽和远超于X射线的穿透性,在超高速无线通讯、雷达安检和生物医学等领域具有极大的应用潜力,逐渐引起了研究人员的兴趣和关注。特别是二十一世纪以来,太赫兹相关的材料研究、功能器件和技术应用蓬勃发展,日新月异。在材料研究领域,各种体系的材料与太赫兹波的相互作用不断被揭示,尤其是利用太赫兹波研究关联电子材料的各种低能元激发,更是令人瞩目;在功能器件领域,各种新型的太赫兹源、探测器和调制器如雨后春笋,层出不穷;在技术应用领域,基于太赫兹的雷达安检、6G无线通讯和医学成像技术等需求迫切,发展迅猛。然而,太赫兹技术的发展仍旧受到太赫兹波段的高效的发射器、探测器以及各种调制器等严重缺乏的限制。尽管太赫兹器件研究已经取得了长足的进展,但是与激光和微波技术相比,太赫兹技术所需要的许多关键器件仍旧短缺,甚至一些太赫兹相关的基础理论也不够完善。其根本原因在于大部分材料的太赫兹光学性质与太赫兹波的作用机制并不明晰,因此需要探测各种体系材料的太赫兹光谱特性并理解其中的机制,这样研发高性能的太赫兹器件才有迹可循。本文一方面围绕关联电子材料在各种外场作用下的太赫兹响应进行了一系列的研究,并且分析了其中的物理机制;另一方面基于这些关联电子材料设计了各种太赫兹主动调制器件,并且研究了其调制性能。其主要研究内容如下:(1)基于VO2的光控可调太赫兹吸收器。利用强关联电子氧化物VO2,研发了一种新型的太赫兹可调吸收器,并研究了其光控可调吸收性能。研究结果表明,该吸收器的可调吸收性能优异,吸收率调制深度可达~74.7%,调制带宽可以覆盖整个探测波段:0.2~1 THz。通过理论和实验分析,这种高效的可调太赫兹吸收主要来源于VO2中的相分离现象。(2)基于VO2的主动和智能化太赫兹电光调制器。考虑到太赫兹的电控调制更具有应用前景,设计并制备了一种基于VO2的主动和智能化的太赫兹电光调制器。利用外加电流的方式,成功实现了对太赫兹反射的高效调控,反射率调制深度可达~99.9%以及反射相位移动接近180°。研究证明这种电控太赫兹主动调制具有良好的稳定性、重复性和多态功能性,其中四态调控的编码深度可以达到~50%。此外,利用“太赫兹-电-太赫兹”的反馈回路,实现了太赫兹零反射状态的智能化控制,也就是说该器件可以在任意初始状态和外部环境下精确的将太赫兹反射率控制为零。(3)Ho1-xYxFeO3中反铁磁自旋共振的掺杂效应与磁控效应的太赫兹光谱研究。选取了非磁性钇离子(Y3+)掺杂的Ho1-xYxFeO3单晶作为研究对象,利用太赫兹光谱研究了掺杂效应和磁场效应对其中反铁磁自旋态的共同作用。观察到了磁场不仅能有效调控Ho1-xYxFeO3单晶中的反铁磁自旋态,而且还能进一步诱导其中发生自旋重取向,并且实现该效应的临界磁场强度随Y3+掺杂浓度而增加。从各向异性能的角度分析了 Y3+掺杂和磁场效应对样品中自旋态的影响。(4)自旋织构材料EuTe2中太赫兹磁调制效应研究。为了开发更加高效的磁控太赫兹调制器,选择了自旋织构材料EuTe2单晶作为研究对象,对其在不同温度、磁场方向和磁场强度下的太赫兹光谱进行了系统的研究和分析。研究结果表明,EuTe2中磁控太赫兹透射率调制深度可达接近100%,最大透射相位移动接近300°。并且这种磁控调制具有频率依赖性的特点,在特定磁场下太赫兹范围内还会出现吸收峰,该吸收峰随磁场强度增大而红移,0.02T的磁场变化可以使吸收峰移动2meV以上,并且吸收峰处相位会发生跃变。此外,这种磁控调制具有强烈的各向异性,其各向异性调制深度可达100%。从磁场影响自旋间接调控EuTe2能带结构的角度分析了其高效的磁调制机理。
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