楊 晴，田祺云，李 競(jìng)，聶天曉,2，王海宇,3， 尋璐璐，黃 炎，張 帆,4，許 涌,4， 溫良恭,5，吳曉君，趙巍勝,2,4,5

(1.北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院 費(fèi)爾北京研究院 空天信自旋電子工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191) (2.北京航空航天大學(xué) 杭州創(chuàng)新研究院，浙江 杭州 310023) (3.北京航空航天大學(xué)高等理工學(xué)院，北京 100191) (4.北京航空航天大學(xué) 合肥創(chuàng)新研究院，安徽 合肥 230012) (5.北京航空航天大學(xué) 青島研究院 北航歌爾微電子創(chuàng)新技術(shù)研究院，山東 青島 266000) (6.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

1 前 言

分布于世界各個(gè)生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的生物醫(yī)學(xué)診斷平臺(tái)至今已運(yùn)行超50年，它是各地環(huán)境污染等級(jí)、物種傷害風(fēng)險(xiǎn)等信息的主要來源[1-5]。傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)診斷和生物檢測(cè)的方式主要為異地送檢，其處理程序復(fù)雜、反饋緩慢的特點(diǎn)已無法滿足當(dāng)代社會(huì)對(duì)生物檢測(cè)信息時(shí)效性的需求。隨著生物傳感器等技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)及時(shí)檢驗(yàn)(point-of-care testing, POCT)的需求越來越強(qiáng)烈?；赑OCT的診斷系統(tǒng)要求檢測(cè)手段具有非接觸、靈敏度高和非侵入等特點(diǎn)。近年來，太赫茲(terahertz，THz)波由于光子能量低(4.14 meV)[6]，且不會(huì)對(duì)生物組織造成有害電離，因此逐漸被應(yīng)用于生物檢測(cè)和生物傳感器開發(fā)領(lǐng)域。

THz是指頻率從0.1到10 THz的電磁波，位于微波與紅外波之間。其所處的頻段既是光子學(xué)向電子學(xué)的過渡，也囊括了許多大分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率。特殊的頻譜位置賦予了THz兼具微波和光波性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，傳輸速率高、容量大、安全性強(qiáng)及穿透性高的特點(diǎn)，使THz在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、國防安全等領(lǐng)域備受矚目，成為21世紀(jì)全球必爭(zhēng)的前沿技術(shù)。

目前，THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已初具規(guī)模，其在生物分子檢測(cè)、成像和生物效應(yīng)等方面均嶄露頭角[7]。然而，由于受到THz源的限制，生物醫(yī)學(xué)方面的研究仍面臨著不可小覷的挑戰(zhàn)。在生物分子檢測(cè)方面，雖然可以利用生物大分子在THz頻段存在特征吸收的特點(diǎn)，采集穿過生物樣品的THz時(shí)域頻域信息，但由于主要利用遠(yuǎn)場(chǎng)THz波來獲得被檢測(cè)物的宏觀信息，其靈敏度往往受到分析物和局域電磁場(chǎng)之間空間重疊的限制[8]；在生物效應(yīng)方面，由于難以控制不同實(shí)驗(yàn)中源的種類，故無法確定THz對(duì)生物系統(tǒng)的具體影響，這也為構(gòu)建生物系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫帶來了困難[9]。由此可見，缺乏對(duì)外部條件不敏感的近場(chǎng)源是目前THz技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的最大阻礙。

還需注意的是，目前THz技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要集中在歐美等國，我國在此方面起步較晚，與其他國家差距較大。但當(dāng)下正處于從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到實(shí)際應(yīng)用的過渡階段，為迅速彌補(bǔ)我國與歐美等國在THz應(yīng)用等方面的差距，著力開發(fā)高性能、低功耗的室溫THz源已成為推動(dòng)THz技術(shù)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的核心議題。

近年來，半導(dǎo)體光子學(xué)、超快光子學(xué)等學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)并帶動(dòng)了多種THz源的開發(fā)和應(yīng)用，例如空氣等離子體THz源、非線性晶體THz源以及光電導(dǎo)天線THz源等，這些THz源已被廣泛應(yīng)用于THz檢測(cè)、THz光譜和成像技術(shù)。上述激光器雖有著各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是也存在著明顯的不足：空氣等離子體的系統(tǒng)復(fù)雜，頻譜難以保持穩(wěn)定[10]；非線性晶體(ZnTe、GaP、LiNO3和各種有機(jī)晶體等)需要精確的相位匹配，且其產(chǎn)生效率難以提高，帶寬難以拓寬；與半導(dǎo)體工藝相結(jié)合的光電導(dǎo)天線(基于GaAs、InGaAs等)已廣泛商用化，但高昂的價(jià)格嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用與推廣。同時(shí)，生物醫(yī)學(xué)等方向的應(yīng)用要求寬帶THz源具備低成本、高效率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。因此，通過探究新機(jī)理，開發(fā)新材料和設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)，發(fā)展高性能THz輻射源并對(duì)其展開深入研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2007年，Albert Fert 和Peter Grünberg因在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，促進(jìn)了控制和操縱電子自旋、研究其輸運(yùn)性質(zhì)及構(gòu)建新穎器件學(xué)科的蓬勃發(fā)展。由于自旋電子學(xué)中某些物理現(xiàn)象的特征頻率位于THz頻段，自旋電子學(xué)[11]這一后摩爾時(shí)代重要的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，有望與THz發(fā)射技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建新一代高性能自旋THz發(fā)射源[12-14]。同時(shí)，由于自旋THz發(fā)射源與集成電路技術(shù)高度契合，有望融功能器件于一體，進(jìn)而發(fā)展成為多功能的應(yīng)用型器件。2013年，Kampfrath等基于逆自旋霍爾效應(yīng)(inverse spin Hall effect, ISHE)，在Fe/Au和Fe/Ru異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了超寬帶的THz輻射[15]，該類THz發(fā)射源具有結(jié)構(gòu)簡單、制備成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問世便引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，自此開創(chuàng)了以鐵磁 (ferromagnetic, FM)/非鐵磁 (nonmagnetic, NM) 金屬異質(zhì)結(jié)為主要結(jié)構(gòu)的新型自旋THz發(fā)射源的研究時(shí)代。開發(fā)新材料體系和設(shè)計(jì)新物理結(jié)構(gòu)，成為自旋THz發(fā)射研究的重要議題。

本綜述從飛秒激光激發(fā)的超快光電流響應(yīng)入手，首先對(duì)THz產(chǎn)生所涉及的鐵磁層超快退磁、鐵磁/非鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)表面的自旋注入和自旋-電荷轉(zhuǎn)換機(jī)制等超快磁學(xué)現(xiàn)象的物理機(jī)理以及新材料(如拓?fù)浣^緣體(topological insulator，TI))中的非線性THz產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并將機(jī)理與材料類別進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從材料選擇和優(yōu)化方式等角度分析了提高自旋THz源性能的方法；進(jìn)而介紹了當(dāng)前自旋THz源的研究進(jìn)展，揭示出THz輻射的影響因素和自旋THz的偏振調(diào)控手段；最后，介紹了自旋THz源在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)自旋THz源在該方面的應(yīng)用做出了總結(jié)與展望。

2 自旋THz發(fā)射機(jī)制

2.1 鐵磁/非鐵磁異質(zhì)結(jié)的THz輻射機(jī)制

2.1.1 超快自旋流的產(chǎn)生

當(dāng)飛秒激光照射鐵磁層時(shí)，在鐵磁層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流密度為js(z,t)的自旋電流脈沖，然而其來源及物理機(jī)制至今仍不明晰。部分學(xué)者認(rèn)為，超快自旋流的產(chǎn)生與自旋塞貝克效應(yīng)(spin Seebeck effect，SSE)有關(guān)[16, 17]。SSE是指鐵磁材料因溫度梯度產(chǎn)生自旋流，隨后自旋流注入到非鐵磁層中，由于非鐵磁層中的自旋軌道耦合作用，SSE誘導(dǎo)的自旋流將通過ISHE轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的SSE電壓。SSE自旋流與溫度梯度的關(guān)系為：

js=K(TN-TF)

(1)

其中，js為自旋流密度，K為SSE系數(shù)，TN和TF分別為非鐵磁層和鐵磁層的溫度。2008年，Uchida等基于SSE，在存在溫度梯度的鐵磁層中觀測(cè)到了自旋電壓[18]。2017年，Alekhin等利用二次諧波測(cè)量技術(shù)在Fe/Au/Fe/MgO中測(cè)量到250 fs的長自旋電流脈沖，其自旋脈沖形狀與非熱自旋相關(guān)的塞貝克效應(yīng)相符[19]。他們指出，自旋電流脈沖的時(shí)間分布和脈寬主要由熱電子的彈道傳輸和熱載流子在鐵磁層中的熱化時(shí)間決定。2018年，Kampfrath等在鐵磁性釔鐵石榴石(yttrium iron garnet，YIG)/鉑的異質(zhì)結(jié)中探測(cè)到SSE引起的自旋流[20]。由于激光照射，鐵磁層和非鐵磁層形成溫度差，進(jìn)而由SSE形成自旋流。該自旋流的上升沿以及弛豫(decay time)都在百飛秒量級(jí)(～100 fs)，動(dòng)態(tài)頻率位于THz頻段。自旋流產(chǎn)生后，由于ISHE，非鐵磁層產(chǎn)生THz頻率的超快電流，進(jìn)而輻射出THz波。

然而，自旋流的來源并不局限于SSE。一般認(rèn)為，飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的自旋流也可能也來源于超快退磁(ultrafast demagnetization，UDM)[21]和超擴(kuò)散自旋傳輸(superdiffusive spin transport，SST)[22]等效應(yīng)。

退磁是指磁體恢復(fù)到磁中性狀態(tài)的過程，超快退磁指的是退磁所用的時(shí)間小于內(nèi)稟的自旋晶格弛豫時(shí)間。1996年，Beaurepaire等借助脈寬為60 fs的激光器在Ni薄膜中發(fā)現(xiàn)了時(shí)間小于1 ps的超快退磁現(xiàn)象[23]，從此掀起了激光誘導(dǎo)超快退磁的研究熱潮。研究表明，飛秒激光在磁性材料內(nèi)部的吸收將影響鐵磁層的退磁進(jìn)而產(chǎn)生自旋流，具體表現(xiàn)為當(dāng)激光照射在磁性金屬表面時(shí)，光子能量以熱的形式通過碰撞轉(zhuǎn)移給電子，能量在電子、自旋、晶格和角動(dòng)量之間進(jìn)行傳遞，最終自旋角動(dòng)量由鐵磁層轉(zhuǎn)移到重金屬層，實(shí)現(xiàn)自旋注入[24]。其中包含的物理機(jī)理可由超快自旋翻轉(zhuǎn)散射(spin-flip scattering)來解釋。該模型包含了Elliott-Yafet 電子-聲子自旋翻轉(zhuǎn)散射等多種散射機(jī)制[25]，能夠?qū)^渡金屬和稀土材料中的退磁現(xiàn)象進(jìn)行充分解釋[26]。

2010年，Battiato等提出了超擴(kuò)散自旋傳輸作為超快退磁的理論機(jī)制模型[22]，且發(fā)現(xiàn)該機(jī)制也可誘導(dǎo)超快自旋流的產(chǎn)生。在該模型中，飛秒激光激發(fā)鐵磁/非鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)，3d鐵磁金屬中的電子吸收了飛秒激光的能量(光子能量約為1.55 eV)，電子從費(fèi)米能級(jí)之下躍遷到費(fèi)米能級(jí)之上，從而產(chǎn)生了非平衡的電子分布。光所激發(fā)的大多數(shù)自旋電子(自旋向上)主要具有類sp帶的軌道特性，而少數(shù)平衡電子(自旋向下)則具有類d帶的軌道特性。由于二者的運(yùn)動(dòng)速度和壽命有所不同，因此自旋向上的電子將在鐵磁/非鐵磁金屬的界面積累，最終實(shí)現(xiàn)自旋流向非鐵磁層的注入[27]，其過程如圖1所示。

圖1 Ni/Al異質(zhì)結(jié)中超擴(kuò)散傳輸?shù)脑韴D[22]Fig.1 Sketch of the superdiffusive processes caused by laser excitation in Ni/Al heterojunction[22]

飛秒激光引發(fā)的超快退磁所產(chǎn)生的自旋流的數(shù)量級(jí)較SST所產(chǎn)生的自旋流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，一般在分析THz發(fā)射性能時(shí)，較少考慮退磁帶來的影響。

除此之外，2013年，由Kampfrath等提出鐵磁層中的瞬態(tài)磁偶極子產(chǎn)生的額外自旋電流也因其比SST所產(chǎn)生的自旋流小一個(gè)數(shù)量級(jí)而忽略不計(jì)[15]。2019年，Wu團(tuán)隊(duì)提出利用回流電子之差產(chǎn)生自旋流，進(jìn)而通過反?；魻栃?yīng)(anomalous Hall effect，AHE)在單層鐵磁材料中實(shí)現(xiàn)了THz發(fā)射[28]。

由于目前激光激發(fā)電子躍遷過程中的能量轉(zhuǎn)換形式尚未有定論，所以無法確定SSE和SST兩種機(jī)制在自旋流產(chǎn)生中的主導(dǎo)地位。

2.1.2 自旋流向電荷流的轉(zhuǎn)變

THz發(fā)射過程中自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換過程表現(xiàn)為超快自旋流從鐵磁層進(jìn)入非鐵磁層時(shí)，由于非鐵磁層的自旋軌道耦合作用，非鐵磁層及鐵磁/非鐵磁的界面處出現(xiàn)皮秒量級(jí)的超快電荷流。目前，自旋-電荷轉(zhuǎn)換的主要機(jī)制有ISHE和逆Rashba-Edelstein效應(yīng)(inverse Rashba-Edelstein effect，IREE)[29]。一般認(rèn)為，對(duì)于異質(zhì)結(jié)，前者主要存在于體效應(yīng)中，后者主要用于分析異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)。本文將從這兩方面對(duì)自旋-電荷轉(zhuǎn)換進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

自旋霍爾效應(yīng)(spin Hall effect，SHE)指的是在外加電場(chǎng)中, 由于自旋軌道耦合作用(spin orbit coupling，SOC)，自旋向上和向下的電子受到相反的等效作用力而向相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生與電荷流動(dòng)方向垂直的橫向自旋流[30]。作為SHE的逆過程[31, 32]，ISHE指的是當(dāng)自旋流進(jìn)入非鐵磁層時(shí)，SOC使自旋向上和自旋向下的電子在相反方向上各偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度γ。通過ISHE，縱向的自旋極化流密度js轉(zhuǎn)換為超快橫向的電荷流密度jc，此過程如圖2所示。

圖2 太赫茲發(fā)射中的逆自旋霍爾效應(yīng)[31]Fig.2 Inverse spin Hall effect in terahertz emission[31]

通常，ISHE可以通過式(2)進(jìn)行描述[32]：

(2)

其中，jc為電荷流密度，γSH為材料的自旋霍爾角，js為自旋流密度。從式(2)可知，可通過選擇大γSH的材料來提高THz發(fā)射效率。

與SHE不同的是，Rashba-Edelstein效應(yīng)(Rashba-Edelstein effect，REE)通常發(fā)生在反演對(duì)稱性被破壞的界面上[33]，其表現(xiàn)為：無外磁場(chǎng)時(shí)，在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)在自己的本征坐標(biāo)系內(nèi)感受到等效磁場(chǎng)的作用，由于等效磁場(chǎng)的方向和電子的動(dòng)量方向相關(guān)，在材料表面態(tài)上形成自旋分裂能帶，其結(jié)構(gòu)如圖3a所示。

圖3 Rashba-Edelstein效應(yīng)的原理圖[33]：(a)自旋分裂能帶的結(jié)構(gòu)，(b)Rashba-Edelstein效應(yīng)的形成過程Fig.3 Schematic diagram of Rashba-Edelstein effect[33]：(a) the structure of spin splitting band, (b) the formation of Rashba-Edelstein effect

在該能帶結(jié)構(gòu)中，具有狄拉克點(diǎn)上/下能帶的等高線形成順時(shí)針/逆時(shí)針的自旋和動(dòng)量的緊密耦合，這意味著外加電場(chǎng)將導(dǎo)致電子分布不均，即電子動(dòng)量分布不平衡，必然導(dǎo)致自旋極化的分布不平衡，從而產(chǎn)生自旋積累，圖3b展示了此過程。

作為REE的逆過程，IREE則是當(dāng)自旋流從鐵磁層流向狄拉克表面態(tài)時(shí)，將自旋流轉(zhuǎn)換為二維橫向超快電荷流的機(jī)制，其表達(dá)式為[29, 34]：

jc=λIREEjs

(3)

其中，λIREE為IREE系數(shù)，代表了自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率。通過IREE的自旋-電荷轉(zhuǎn)化多發(fā)生在異質(zhì)結(jié)的界面處，因此，選擇合適的異質(zhì)結(jié)材料并優(yōu)化異質(zhì)結(jié)各層厚度是提高IREE的自旋-電荷轉(zhuǎn)換效率的常用方法。

由上文可知，IREE與ISHE最大的區(qū)別在于由IREE導(dǎo)致的自旋-電荷轉(zhuǎn)換只發(fā)生在二維的Rashba界面，如TI。但由于TI內(nèi)部的強(qiáng)自旋軌道耦合作用，也使其能夠通過ISHE實(shí)現(xiàn)高效的自旋-電荷轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)更高效的THz輻射。2018年，Yang等[35]利用Bi2Se3/Co異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)場(chǎng)THz源。2021年，作者團(tuán)隊(duì)[36]實(shí)現(xiàn)了基于Bi2Te3/Fe的強(qiáng)場(chǎng)THz發(fā)射及手性調(diào)控，為探究強(qiáng)自旋流的產(chǎn)生、高效率自旋-電荷轉(zhuǎn)換及多功能THz源的開發(fā)提供了新的思路與方法。TI等新興材料在自旋領(lǐng)域與超快光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用必將推動(dòng)多學(xué)科的交叉融合與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

還需注意的是，IREE引起的自旋-電荷轉(zhuǎn)換也會(huì)出現(xiàn)在強(qiáng)SOC的金屬異質(zhì)結(jié)的界面處，如Bi/Ag異質(zhì)結(jié)。2013年，Sánchez等[29]基于Bi/Ag異質(zhì)結(jié)證明了其界面存在Rashba耦合，即IREE在Bi/Ag異質(zhì)結(jié)的界面處實(shí)現(xiàn)了自旋流向電荷流的轉(zhuǎn)換。

2.1.3 THz輻射

經(jīng)過自旋-電荷轉(zhuǎn)換，自旋流轉(zhuǎn)變?yōu)榘亠w秒量級(jí)的面內(nèi)超快光電流。根據(jù)麥克斯韋方程組及電磁場(chǎng)的波動(dòng)性可知，交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互激發(fā)產(chǎn)生電磁波，其解滿足：

(4)

其中，ω為角頻率，ε為介電常數(shù)，E為電場(chǎng)，μ0為真空磁導(dǎo)率，j為電流密度。該微分方程揭示了皮秒量級(jí)電流脈沖輻射THz的機(jī)理[37]。但由于電荷流的產(chǎn)生依賴位置等因素[38]，所以關(guān)于如何使用該公式對(duì)THz電場(chǎng)進(jìn)行完整表述仍在研究階段。

雖然從經(jīng)典的麥克斯韋電磁學(xué)理論可知，磁偶極子可發(fā)射電磁波[39]，但其發(fā)射出的THz波較弱[40]，一般忽略不計(jì)，故此處不討論。

2.2 拓?fù)浣^緣體中的THz輻射機(jī)制

TI因其自旋動(dòng)量鎖定的拓?fù)浔砻鎽B(tài)[41]、180°反向散射[42]以及可調(diào)諧的量子層[35]等特性，自2007年被發(fā)現(xiàn)以來便成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的新熱點(diǎn)[43, 44]。TI點(diǎn)燃了電子設(shè)備的運(yùn)行速度從MHz頻段邁向THz頻段的希望[45]，成為了固態(tài)電子器件性能提升的首選材料。TI在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用前景和價(jià)值。THz圓二色光譜擁有快速、簡單、準(zhǔn)確地對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子進(jìn)行檢測(cè)的潛力[46]，然而實(shí)現(xiàn)高效手性THz的產(chǎn)生與靈敏調(diào)控是推廣該應(yīng)用的最大阻礙。TI表面特殊的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)，使其具有自旋動(dòng)量鎖定和180°反向散射的性質(zhì)，這是利用表面電流誘導(dǎo)強(qiáng)自旋極化的理想前提[47]；并且，TI在飛秒激光的激勵(lì)下能夠同時(shí)在內(nèi)部激發(fā)出與激勵(lì)光螺旋度無關(guān)的電荷流和與激勵(lì)光螺旋度相關(guān)的自旋流，通過將這兩種電流結(jié)合，有望在TI中實(shí)現(xiàn)THz的偏振的任意調(diào)控[48-50]。由此可知，TI在THz發(fā)射、檢測(cè)和調(diào)制方面已經(jīng)展現(xiàn)出極其光明的前景，這為今后基于片上拓?fù)浣^緣體的THz系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，開發(fā)TI在THz的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)的應(yīng)用，首先應(yīng)對(duì)TI中皮秒量級(jí)光電流的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)而深入的探究。

常見的TI有Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3及其合金 (BixSb1-x)2Se3、(BixSb1-x)2Te3。

TI是一種經(jīng)典的二維材料(也可推廣到三維體系)[51-53]，以Bi2Se3為例。Bi2Se3是5層原子周期性排列而成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中每5層原子為一個(gè)QL(quintuple layer)層, 厚度約為0.955 nm[54, 55]，Bi2Se3三維晶體結(jié)構(gòu)如圖4a所示[56]。相鄰兩 QL 層之間由范德瓦爾斯力相連, 并不存在任何化學(xué)鍵。而在每個(gè)QL層內(nèi)，原子按照ABCAB的晶體結(jié)構(gòu)堆垛排列，由共價(jià)鍵連接，如圖4b所示。

如圖4a所示, Bi2Se3沿z軸呈三重螺旋對(duì)稱, 而沿x軸呈兩重螺旋對(duì)稱。當(dāng)5層結(jié)構(gòu)以整體進(jìn)行反轉(zhuǎn)，根據(jù)圖4c可判斷出，Bi1將變?yōu)锽i1’，Se1將變?yōu)镾e1’[56]。由此可見，Bi2Se3在空間中呈現(xiàn)出反演對(duì)稱性，這是TI能夠激發(fā)超快光電流的重要條件，本節(jié)將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖4 Bi2Se3晶體結(jié)構(gòu)[56]：(a)三維晶體結(jié)構(gòu)，(b)沿z軸的俯視圖(A、B、C代表3種三角形點(diǎn)陣不同的位置)，(c)側(cè)視圖Fig.4 Crystal structure of Bi2Se3[56]: (a) crystal structure of Bi2Se3 with three primitive lattice vectors denoted as t1;2;3, (b) top view along the z-direction (the triangle lattice in one quintuple layer has three different positions, denoted as A, B and C), (c) side view of the quintuple layer structure

自2016年，各國開始展開對(duì)Bi2Se3、Bi2Te3等TI產(chǎn)生超快光電流機(jī)制的研究[47]。目前，研究人員發(fā)現(xiàn)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)、表面位移電流(surface shift current)、光整流(optical rectification，OR)和注入電流(injection current)都會(huì)影響超快電流的產(chǎn)生。同時(shí)，入射光的偏振態(tài)與超快電流的產(chǎn)生也有著密不可分的聯(lián)系。

2.2.1 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)

由于泵浦光子能量(1.57 eV)[57, 58]大于TI的帶隙(0.4 eV)，所以當(dāng)飛秒激光照射在TI表面時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后進(jìn)入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)[58]。電子-空穴對(duì)隨即向周圍低濃度的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流[59]。然而由于體擴(kuò)散電流方向垂直于樣品表面，對(duì)THz輻射沒有貢獻(xiàn)，且表面擴(kuò)散電流方向不定，故不考慮擴(kuò)散電流對(duì)THz輻射的影響[60]；同理，體漂移電流也應(yīng)如此[61]。然而，Braun等[47]發(fā)現(xiàn)將超快電流分解成x和y兩個(gè)方向時(shí)，如圖5a所示，Jyz分量上升時(shí)間約有40 fs的延遲，這既低于激光脈沖的持續(xù)時(shí)間(20 fs)，也低于Jx分量的上升時(shí)間。經(jīng)過分析，研究人員發(fā)現(xiàn)體Drude散射將影響表面電子加速，從而影響電子遷移率和漂移電流的增長速度，這說明，表面漂移電流的確會(huì)影響TI表面超快電流的產(chǎn)生。

2.2.2 表面位移電流

(5)

其中，Ip為激光強(qiáng)度包絡(luò)。與Ip的卷積使jsh顯示出與時(shí)間的依賴關(guān)系，即最初遵循Ip(t)的包絡(luò)線，若持續(xù)時(shí)間τsh短于泵浦持續(xù)時(shí)間，位移電流密度的時(shí)間函數(shù)則保持單極性[47, 63]。從式(5)可得出，jx(x方向的電流密度)僅由表面位移電流引起[47]。以Bi2Te3為例，位移電流涉及表面態(tài)相關(guān)的光學(xué)躍遷，一般起源于沿Bi—Te鍵的瞬態(tài)電子轉(zhuǎn)移，然而，當(dāng)TI厚度減小到一定程度時(shí)，上下表面的耦合打開了表面態(tài)色散的間隙，此時(shí)位移電流將顯著減小[35]。

2.2.3 注入電流

載流子在動(dòng)量空間分布不對(duì)稱是產(chǎn)生光電流的重要條件。由于TI表面的自旋動(dòng)量鎖定，即運(yùn)動(dòng)方向不同的電子的自旋方向也不同，這將導(dǎo)致TI表面上不存在自旋極化電流。當(dāng)圓偏振的超短激光脈沖傾斜照射在TI表面時(shí)，激光更傾向于誘導(dǎo)能帶間自旋態(tài)與波矢反平行的電子躍遷，當(dāng)電子從狄拉克錐激發(fā)到更高態(tài)時(shí)，表面態(tài)在K空間不對(duì)稱的填充將導(dǎo)致自旋極化流的產(chǎn)生，如圖5c所示[50, 64]。由于TI自旋動(dòng)量鎖定的特性，自旋的不對(duì)稱將導(dǎo)致動(dòng)量空間的不對(duì)稱，由此產(chǎn)生依賴于入射光偏振態(tài)的光電流jinj，即注入電流密度。

jinj還與瞬時(shí)速度與平均速度的差值Δv和激發(fā)電子密度N相關(guān)[47]：

jinj∝N*Δv·[Θ(t)e-t/τinj]*Ip

(6)

又由于TI的體帶是自旋簡并的，這些光子螺旋依賴電流只能在TI的表面產(chǎn)生。

圖5 拓?fù)浣^緣體中光電流產(chǎn)生機(jī)制：(a)光電流的x分量和yz分量[47]，(b)位移電流產(chǎn)生原理圖[63]，(c)注入電流產(chǎn)生原理圖[50]Fig.5 The mechanism of photocurrent generation in topological insulator: (a) x and yz components of photocurrent[47], (b) schematic diagram of displacement current generation[63], (c) schematic diagram of injection current[50]

2.2.4 光整流

一般認(rèn)為，光整流是基于超快激光在非線性晶體的二階非線性差頻振蕩效應(yīng)從而產(chǎn)生皮秒量級(jí)光電流的過程，即其過程可以理解為具有相近頻率的兩個(gè)光子差頻得到一個(gè)THz光子。這種瞬態(tài)的、非共振驅(qū)動(dòng)的電荷位移產(chǎn)生于初始態(tài)和終態(tài)之間的所有躍遷[47]。光整流是非線性晶體(如ZnTe、InP等)出射寬帶THz的主要方法[63]，其大小既跟非線性晶體的種類、面積、厚度有關(guān)，也受激光脈沖寬度和泵浦能量的影響。由于分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)制備出的高質(zhì)量單晶TI通常對(duì)激光強(qiáng)電場(chǎng)表現(xiàn)出二次以上非線性光學(xué)效應(yīng)，故認(rèn)為其產(chǎn)生的部分光電流來源于光整流。

為了評(píng)估光整流在TI所產(chǎn)生的光電流中所占的比重，研究人員在控制激光脈沖寬度和泵浦能量一定的前提下，將TI發(fā)射的THz振幅與泵浦透明ZnTe晶體發(fā)射的THz振幅進(jìn)行了比較，歸一化到發(fā)射晶體的厚度后，TI發(fā)射的THz信號(hào)Sx比ZnTe發(fā)射的THz信號(hào)Sx大了約3個(gè)數(shù)量級(jí)[65]。這說明，在一定厚度下的TI中，光整流對(duì)其光電流產(chǎn)生的貢獻(xiàn)極小，因此，Bi2Se3中的光整流可以忽略不計(jì)。

2.2.5 光電流產(chǎn)生機(jī)制

光電流的產(chǎn)生過程包括光將電子從初始狀態(tài)i激發(fā)到激發(fā)態(tài)j的激發(fā)過程和電子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的弛豫過程兩部分[64]。在激發(fā)過程中，由于激光光子能量(1.57 eV)大于TI帶隙(0.4 eV)，故垂直帶間躍遷(區(qū)別于聲子、雜質(zhì)輔助的非垂直帶間躍遷[66])占主導(dǎo)地位[58]。弛豫一般由非中心對(duì)稱電勢(shì)散射[67]、不對(duì)稱復(fù)合[47]和本征表面場(chǎng)(漂移電流)[68, 69]引起。光電流效應(yīng)一般分為線性效應(yīng)(擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng))[59]和非線性效應(yīng)(光生伏打效應(yīng)(photogalvanic effect, PGE)和光子拖曳效應(yīng)(photo-drag effect, PDE))[60, 70, 71]。

其中，PDE從微觀上可看作光子動(dòng)量到電子動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，一般認(rèn)為，它與泵浦偏振態(tài)和樣品方位角均存在依賴關(guān)系，然而由于PDE電流過小，實(shí)驗(yàn)中較難觀測(cè)到，所以一般忽略不計(jì)[63]。

PGE由注入電流和位移電流共同引起。實(shí)驗(yàn)證明，PGE依賴于入射光的偏振態(tài)，根據(jù)入射光偏振狀態(tài)的不同，PGE分為圓生伏打效應(yīng)(circular photogalvanic effect, CPGE)和線生伏打效應(yīng)(linear photogalvanic effect, LPGE)[64]。研究人員就這兩種效應(yīng)分別在實(shí)驗(yàn)和機(jī)理上展開了研究。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射激光為線偏振態(tài)時(shí)，光電流與樣品方位角φ和入射角θ有關(guān)：當(dāng)入射激光為圓偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)時(shí)，光電流主要由入射激光的螺旋度(四分之一波片旋轉(zhuǎn)角度α)和入射角θ決定[63]。通過分析THz的出射結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)：① 手性THz的產(chǎn)生取決于CPGE中圓偏振光對(duì)注入電流的影響[50]；② 入射光為(橢)圓偏振光時(shí)，LPGE依然存在[49]；③ 手性THz產(chǎn)生的限制條件：當(dāng)入射角固定時(shí)，泵浦偏振態(tài)決定了出射THz的偏振態(tài)[63]。

特別地，由CPGE引入的THz分量不隨樣品方位角變化，這可能是由于CPGE來源于滿足狄拉克錐旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的TI的表面態(tài)[63]。

理論方面，研究人員采用非線性響應(yīng)的理論機(jī)制討論了TI中超快光電流產(chǎn)生的影響因素：在量子阱結(jié)構(gòu)中，體反轉(zhuǎn)不對(duì)稱或結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)不對(duì)稱所導(dǎo)致的自旋簡并度破壞，是光電流產(chǎn)生的重要前提[64]。直流電流對(duì)振蕩電場(chǎng)的超前階響應(yīng)是電場(chǎng)幅值的二階響應(yīng)[72, 73]，可以寫成：

(7)

其中，σλμv是三階光電導(dǎo)張量。在空間反演對(duì)稱性的情況下，電場(chǎng)分量的乘積保持不變。又由于任何描述系統(tǒng)物理性質(zhì)的張量對(duì)于其對(duì)稱運(yùn)算都應(yīng)該是不變的[64]。然而空間反演對(duì)稱將使電流符號(hào)改變，則只有jλ=0可滿足上述條件，即該電流只能在非對(duì)稱晶體的表面產(chǎn)生[20, 74]。所以表面態(tài)的電流響應(yīng)也可寫作：

(8)

其中，γλμ和χλμν都是張量，它們?cè)诒砻婢w對(duì)稱的情況下保持不變。式(8)第一項(xiàng)描述的是CPGE，其產(chǎn)生的光電流的符號(hào)與旋向有關(guān)，研究人員從TI的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性出發(fā)，分析得出CPGE的產(chǎn)生條件：① 入射光必須是圓偏振光或橢圓偏振光[47, 50, 63]；② 入射角不能為0°[63]；并且，由于CPGE來源于表面態(tài)，滿足狄拉克錐的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，故其不受TI方位角的影響；第二項(xiàng)描述的是LPGE，將式(8)與光生電場(chǎng)結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)入射光偏振角和樣品方位角均對(duì)LPGE有所影響，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的[63]。

理論上，雖然鐵磁/非鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)的發(fā)射效率遠(yuǎn)高于純TI，但純TI表面態(tài)所引起的偏振可調(diào)卻為THz在生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用帶來無限前景。如何將這二者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，開發(fā)和優(yōu)化出能滿足當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求的新型自旋THz源是此領(lǐng)域研究的重中之重。

3 面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的自旋THz源功能開發(fā)

無標(biāo)記生物檢測(cè)方法因其非侵入性和高靈敏度逐漸成為POCT的主要手段。由于THz光子能量小，對(duì)組織和生物分子無明顯的電離效應(yīng)和熱效應(yīng)[75]，在該領(lǐng)域展露出十分廣闊的應(yīng)用前景。因自旋THz源本身具有體積小、可集成度高和成本低等特點(diǎn)，有望在其基礎(chǔ)上開發(fā)出集成化的THz生物檢測(cè)器，同時(shí)以TI為代表的動(dòng)態(tài)偏振可調(diào)的自旋THz源為生物手性結(jié)構(gòu)的檢測(cè)提供了可能。自此，開發(fā)集高效發(fā)射與靈活檢測(cè)于一體的THz多功能器件成為THz生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而，如何實(shí)現(xiàn)高效率THz輻射且偏振可調(diào)的THz源成為亟待解決的難題。

3.1 自旋THz源的發(fā)射效率優(yōu)化

3.1.1 異質(zhì)結(jié)材料選擇

在ISHE主導(dǎo)的THz發(fā)射中，選擇自旋極化率高的鐵磁材料和自旋霍爾角大的非鐵磁材料都有助于提高THz輻射效率[27]。2016年，Seifert等[31]通過比較CoFeB/非鐵磁層輻射出的THz幅度，確定Pt和W為非鐵磁層的最優(yōu)選擇。并依據(jù)這兩種材料自旋霍爾角符號(hào)相反的特點(diǎn)，制備出具有3層膜的THz發(fā)射結(jié)構(gòu)W/CoFeB/Pt，利用背向傳輸?shù)淖孕鲗?shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的THz輻射。2017年，該團(tuán)隊(duì)[76]以Pt為非鐵磁層，通過改變鐵磁層材料，對(duì)DyCo5/Pt、Gd24Fe76/Pt、Fe3O4/Pt、Fe51Rh49/Pt和CoFeB/Pt等多種異質(zhì)結(jié)的THz發(fā)射性能進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，CoFeB/Pt的THz發(fā)射性能最強(qiáng)，F(xiàn)e3O4/Pt所輻射出的THz信號(hào)最小。

以IREE為主的THz發(fā)射主要發(fā)生在金屬異質(zhì)結(jié)界面(如Bi/Ag、Ag/Sb等)和TI(如Bi2Se3、Bi2Te3等)表面態(tài)。2018年，Jungfleisch團(tuán)隊(duì)[77]在CoFeB/Ag/Bi的3層異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了比Ag/Bi大6倍的THz輻射。2018年，齊靜波團(tuán)隊(duì)[78]在Fe/Ag/Bi和Fe/Bi/Ag兩種異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到相位相反的THz，這揭示了在Bi/Ag中同時(shí)存在著ISHE和IREE兩種效應(yīng)，當(dāng)Bi和Ag的生長順序顛倒時(shí)可改變IREE引起的THz相位，進(jìn)而與ISHE所誘導(dǎo)的THz疊加或抵消。更重要的是，兩項(xiàng)工作都顯示出鐵磁金屬對(duì)IREE的增強(qiáng)作用，這在開發(fā)以兩種效應(yīng)結(jié)合的新型高效THz輻射源方面具有深刻的指導(dǎo)意義。

2017年，Yang團(tuán)隊(duì)同Wu團(tuán)隊(duì)合作[79]測(cè)量出Bi2Se3具有比普通非鐵磁金屬更大的自旋霍爾角，其值約為1.75，至此掀起了以TI等拓?fù)洳牧蠟榉氰F磁層的自旋THz源的研究熱潮。2018年，Yang團(tuán)隊(duì)[35]首次在Bi2Se3/Co中實(shí)現(xiàn)比單層TI大10倍的THz輻射，其輻射效率是Co/Pt的1.7倍左右。該團(tuán)隊(duì)將自旋-電荷轉(zhuǎn)換(spin-to charge conversion，SCC)和TI的THz電場(chǎng)分離，并證明了該異質(zhì)結(jié)可融合ISHE和IREE兩種THz發(fā)射機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)高效的THz發(fā)射。并且，他們還確定了TI中SCC的溫度穩(wěn)定性。2019年，該團(tuán)隊(duì)[80]在Co/MoS2的異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了高自旋注入，但由于MoS2的自旋霍爾角較小，故THz輻射效率未有明顯提高。2021年，作者團(tuán)隊(duì)[36]在Fe/Bi2Te3異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了高效率的THz發(fā)射，如圖6所示。2020年，國防科技大學(xué)江天團(tuán)隊(duì)[81]利用飛秒激光照射Co/Bi/Bi2Te3異質(zhì)結(jié)構(gòu)所發(fā)出的THz幅度比Co/Bi2Te3大98%。

圖6 Fe/Bi2Te3的太赫茲發(fā)射[36]：(a)發(fā)射原理圖，(b)THz幅度與入射光偏振角度的依賴關(guān)系，(c)Fe/Bi2Te3與其他常見自旋源的發(fā)射強(qiáng)度比較Fig.6 Terahertz emission of Fe/Bi2Te3[36]: (a) terahertz emission principle, (b) dependence of THz amplitude on polarization angle of incident light, (c) emission intensity comparison of Fe/Bi2Te3 and other common spin sources

3.1.2 異質(zhì)結(jié)生長條件控制

研究表明，薄膜厚度、薄膜品質(zhì)及界面等因素將直接影響異質(zhì)結(jié)的THz發(fā)射效率。為優(yōu)化THz發(fā)射能力，把控異質(zhì)結(jié)的生長條件至關(guān)重要。2016年，Seifert等[31]發(fā)現(xiàn)，薄膜的總厚度及制備方法都會(huì)影響異質(zhì)結(jié)輻射THz的能力，他們首先根據(jù)非鐵磁層中自旋電流的輸運(yùn)過程建立起THz的電場(chǎng)強(qiáng)度與厚度的關(guān)系式：

(9)

其中，d是薄膜厚度,e是基元電荷，γ是自旋霍爾角，Z(ω)是阻抗。同時(shí)，Seifert等采用法布里-珀羅腔的模型解釋了樣品厚度對(duì)THz電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。然而隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)此模型的數(shù)值仍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出從厚度層面優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的THz發(fā)射效率時(shí)，必須要考慮3個(gè)因素：① 厚度必須小于自旋擴(kuò)散長度[82]；②鐵磁層厚度較小時(shí)，要考慮磁長程有序以及面內(nèi)易軸是否可建立[82]；③ 需要考慮金屬層對(duì)電磁波的吸收情況[83]。

在薄膜品質(zhì)等方面，Sasaki等[84, 85]通過對(duì)比不同退火溫度下Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)中的THz幅度，發(fā)現(xiàn)300 ℃的退火條件最利于該樣品發(fā)射THz。他們指出，退火后鐵磁層結(jié)晶提高了電子速度和平均自由程是THz發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)的根本原因。2019年，作者團(tuán)隊(duì)[86]對(duì)W/CoFeB進(jìn)行退火處理后，樣品輻射出較退火前約3倍強(qiáng)的THz信號(hào)。此外，Li等[87]還針對(duì)界面粗糙度對(duì)樣品輻射THz效率的影響展開了研究，結(jié)果表明，界面粗糙和界面混雜都能在一定程度上提高THz波的輻射效率。

綜上所述，盡管TI/鐵磁的結(jié)構(gòu)在提高THz發(fā)射效率方面效果顯著，然而在此方面的研究與實(shí)踐尚未充分展開。因此，深入挖掘THz發(fā)射機(jī)理，優(yōu)化其生長條件，探索高效自旋注入等方法和進(jìn)行新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，是成量級(jí)地提高THz發(fā)射效率的必經(jīng)之路。

3.2 自旋THz源的偏振調(diào)控性能開發(fā)

3.2.1 變磁場(chǎng)的偏振調(diào)控

出射THz偏振方向與磁場(chǎng)垂直是ISHE機(jī)制的一大特點(diǎn)，因此，在實(shí)驗(yàn)中，可通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向或改變磁場(chǎng)分布獲得不同偏振態(tài)的THz信號(hào)。2019年，Hibberd等[88]將相同的異質(zhì)結(jié)分別置于同極相向的兩塊磁鐵和異極相向的兩塊磁鐵中，利用磁場(chǎng)分布不同從而產(chǎn)生線性或四極性的THz波。同年，作者團(tuán)隊(duì)[89]將W/CoFeB/Pt放置在異極相向磁鐵所產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)中，通過同時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和樣品，完成了THz波從橢圓偏振到線偏振的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了THz波的手性、方位角和橢圓度的精確操縱，如圖7a所示。

圖7 自旋太赫茲源的偏振調(diào)控：(a)改變磁場(chǎng)分布[89]，(b)改善光學(xué)系統(tǒng)[92]，(c)源上調(diào)控[63]Fig.7 Polarization control of spin THz source: (a) changing magnetic field distribution[89], (b) improving optical system[92], (c) source based control[63]

3.2.2 集成化的偏振調(diào)控

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)可將自旋THz源與各平面光學(xué)元件(如波片、液晶、亞表面等)集成，實(shí)現(xiàn)任意可調(diào)的偏振THz波。2018年，Qiu等[90]將自旋THz源與液晶集成，通過施加不同方向的外加磁場(chǎng)和可變電壓，使THz在經(jīng)過液晶時(shí)獲得不同的相位延遲，最終實(shí)現(xiàn)THz圓偏振態(tài)和線偏振態(tài)之間的切換。2020年，F(xiàn)eng等[91]提出將自旋THz源與被設(shè)計(jì)成寬帶THz 1/4波片的超材料波片集成，通過旋轉(zhuǎn)外加磁場(chǎng)使集成器件出射的THz波在線偏振態(tài)與圓偏振態(tài)之間切換, 此方法可實(shí)現(xiàn)更寬頻譜的圓偏振THz波。

3.2.3 光學(xué)系統(tǒng)中的偏振調(diào)控

根據(jù)實(shí)際需求，合理地對(duì)外部光學(xué)條件進(jìn)行改造成為近年來對(duì)THz源偏振調(diào)控的主要手段之一。2019年，作者團(tuán)隊(duì)[92]將兩個(gè)能輻射出強(qiáng)度相當(dāng)、電場(chǎng)垂直的線偏振THz波的自旋源(W/CoFeB/Pt)級(jí)聯(lián)，并調(diào)節(jié)輻射源之間的氣壓使正交偏振的相位差為90°，如圖7b所示，通過改變磁場(chǎng)方向，成功對(duì)相干后出射的THz波進(jìn)行了偏振調(diào)控。2021年，該團(tuán)隊(duì)[36]利用斬波器、半波片和偏振分束鏡等光學(xué)元件將泵浦激光分為偏振方向相互垂直的脈沖1和脈沖2，兩束脈沖先后打在TI/Fe異質(zhì)結(jié)上并輻射出不同偏振態(tài)的THz波。在該系統(tǒng)中，可通過改變脈沖之間的延遲時(shí)間實(shí)現(xiàn)手性THz波的任意操縱。

3.2.4 自旋THz源片上偏振調(diào)控

上述的調(diào)控方法均依賴于外部環(huán)境的改變，不利于實(shí)際的推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)THz源端偏振的任意操縱，可避免外部環(huán)境的限制，能夠滿足生物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域?qū)υO(shè)備高效快捷且易于擴(kuò)展其他功能的應(yīng)用需求，對(duì)推動(dòng)自旋THz在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用有著極大的促進(jìn)作用。為此，如何在自旋THz源上實(shí)現(xiàn)片上偏振調(diào)控，近年來成為各國的研究焦點(diǎn)。2020年，作者團(tuán)隊(duì)[63]基于10 nm厚Bi2Te3，通過對(duì)泵浦激光脈沖偏振、入射角和樣品方位角的精確控制，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了高效的線偏振可調(diào)諧THz輻射，而且獲得了高質(zhì)量的手性THz波，如圖7c所示。此外，他們還實(shí)現(xiàn)了對(duì)TI發(fā)射的THz波的橢圓度和手性的任意操縱。2021年，該團(tuán)隊(duì)[36]還基于Bi2Te3/Fe異質(zhì)結(jié)，在實(shí)現(xiàn)了THz高效輻射的基礎(chǔ)上，通過改變磁場(chǎng)方向和泵浦線偏振角度實(shí)現(xiàn)了THz橢圓度和手性的靈活調(diào)控。

綜上所述，目前針對(duì)自旋THz源偏振可調(diào)諧的性能開發(fā)已有一定進(jìn)展，無論是從外部條件入手，還是關(guān)于THz源自身的性能優(yōu)化，都能夠?qū)崿F(xiàn)THz手性的靈活調(diào)控。值得注意的是，TI及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯著特性不僅賦予多功能THz源能兼容高效和可集成化的潛力，而且為偏振可調(diào)諧THz波提供了前所未有的控制平臺(tái)，這將促進(jìn)THz在頻譜檢測(cè)、生物分子手性應(yīng)用等領(lǐng)域的發(fā)展。

4 自旋THz源在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的探索

隨著醫(yī)療健康需求的日益增長，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可靠、非侵入的醫(yī)學(xué)檢測(cè)逐漸成為社會(huì)醫(yī)療建設(shè)的新目標(biāo)[93]。其中，如何對(duì)樣品中的分子成分，如蛋白質(zhì)、葡萄糖等大分子進(jìn)行鑒別和感知成為了生物檢測(cè)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。很多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)都位于THz波段[9]，這賦予了THz在生物檢測(cè)及傳感方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而自旋THz技術(shù)又能滿足如今對(duì)檢測(cè)設(shè)備小型化、便捷化的需求。因此，開發(fā)基于自旋THz源的面向光譜分析及生物醫(yī)學(xué)傳感的便捷檢測(cè)方式及應(yīng)用裝置勢(shì)在必行。目前，自旋THz一般應(yīng)用在兩種生物檢測(cè)的場(chǎng)景下：① 針對(duì)THz近場(chǎng)生物傳感技術(shù)的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)與自旋THz源集成的超材料；② 基于自旋THz源產(chǎn)生的圓偏振光，利用THz圓二色性(terahertz circular dichroism，TCD)光譜對(duì)生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

4.1 基于超材料結(jié)構(gòu)的生物檢測(cè)

2019年，姚建銓團(tuán)隊(duì)[94]利用THz在超材料上對(duì)癌細(xì)胞凋亡的監(jiān)測(cè)拉開了超材料在生物檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。自旋THz源問世以來，生物檢測(cè)領(lǐng)域的科研人員一直致力于將該類源與超材料集成。2020年，作者團(tuán)隊(duì)[95]將超材料沉積在W/CoFeB/Pt襯底的背面。通過對(duì)圖案的非對(duì)稱度和幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，他們獲得了可在源端處控制THz輻射特性的電磁感應(yīng)透明模擬器件。同年，該團(tuán)隊(duì)[96]利用該集成結(jié)構(gòu)對(duì)不同濃度的海拉細(xì)胞和熒光假單胞菌進(jìn)行了檢測(cè)與表征，結(jié)果顯示該單片THz生物傳感器在500 μm空間分辨率下對(duì)樣品濃度分布敏感，靈敏度大約為15.68，見圖8a，其圖案設(shè)計(jì)見圖8b。

4.2 基于THz圓二色性光譜的生物檢測(cè)

手性光譜學(xué)的迅速發(fā)展促進(jìn)了生物化學(xué)分子特性檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步[97, 98]。目前，較成熟的振動(dòng)圓二色性[99]和電子圓二色性[100]測(cè)量法因其使用的光子或電子能量過高而不適用于生物分子的檢測(cè)[46]。由于THz光子能量低，且分子共振能量中的圓二色性光譜位于THz頻率范圍內(nèi)，故多采用TCD來檢測(cè)復(fù)雜的生物功能大分子。2021年，作者團(tuán)隊(duì)[36]通過外磁場(chǎng)來調(diào)諧TI/Fe輻射出的THz波的手性，并利用手性THz波對(duì)甲蟲外骨骼和手性分子進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，左旋橢圓光和右旋橢圓光的透射振幅比明顯不同，可以生成TCD光譜，如圖8c所示。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了TI/Fe自旋源對(duì)手性THz的輻射與調(diào)控能力，也指明了自旋THz源在生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用道路。

5 結(jié) 語

本文首先從鐵磁/非鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)和單層拓?fù)浣^緣體(topological insulator, TI)兩種不同的自旋太赫茲(terahertz，THz)源入手，對(duì)其發(fā)射THz波的機(jī)理分別進(jìn)行了深入剖析：鐵磁/非鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)在飛秒激光的照射下，鐵磁層由超快退磁效應(yīng)主導(dǎo)產(chǎn)生自旋流，緊接著由于ISHE或IREE，自旋流轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪鬟M(jìn)而輻射出THz；單層TI中的超快光電流則是主要由載流子的漂移電流、注入電流和表面位移電流引起，其主要機(jī)制為光生伏打效應(yīng)(photogalvanic effect, PGE)。PGE依賴于入射光的偏振態(tài)，根據(jù)入射光偏振狀態(tài)的不同，PGE分為圓生伏打效應(yīng)(circular photogalvanic effect, CPGE)和線生伏打效應(yīng)(linear photogalvanic effect, LPGE)。且手性THz的產(chǎn)生主要由于CPGE中圓偏振光對(duì)注入電流產(chǎn)生的影響，限制條件為當(dāng)入射角固定時(shí)，泵浦偏振態(tài)決定了出射THz的偏振態(tài)。

圖8 自旋太赫茲源在生物檢測(cè)上的應(yīng)用：(a)基于超材料對(duì)細(xì)胞、細(xì)菌進(jìn)行檢測(cè)，(b)超材料設(shè)計(jì)[96];(c)基于太赫茲圓二色性光譜對(duì)生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)[36]Fig.8 Application of spin terahertz source in biomedical detection field: (a) detection of cells and bacteria based on metamaterials, (b) metamaterial design[96]; (c) detection of biological structure based on terahertz circular dichroism spectrum[36]

進(jìn)而，考慮到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Hz的實(shí)際需求，本文從提高輻射效率和實(shí)現(xiàn)偏振可調(diào)這兩方面討論自旋THz源的優(yōu)化方法。在基于“材料和生長條件”兩方面進(jìn)行了相關(guān)討論后，可以看出以TI為非鐵磁材料的異質(zhì)結(jié)發(fā)射效率提升明顯，且由于TI的強(qiáng)自旋軌道耦合作用，使該異質(zhì)結(jié)更高效地融合ISHE和IREE兩種自旋-電荷轉(zhuǎn)換機(jī)制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高效的THz發(fā)射。再經(jīng)過對(duì)自旋THz源現(xiàn)有的偏振調(diào)控方法調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)TI/鐵磁金屬異質(zhì)結(jié)可通過片上偏振調(diào)控、改變磁場(chǎng)分布和改變外部光學(xué)條件等手段滿足THz橢圓度和手性的靈活調(diào)控。

雖然TI/Fe在生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用目前集中在利用太赫茲圓二色性(terahertz circular dichroism，TCD)光譜對(duì)生物樣品及手性分子進(jìn)行表征，但是通過調(diào)研，由于TI/鐵磁金屬的發(fā)射效率是Pt/鐵磁金屬的1.7倍，其發(fā)射效率和制備方式與W/CoFeB/Pt類似，所以理論上也可與超材料集成實(shí)現(xiàn)空間高分辨率的生物樣品表征與檢測(cè)。更進(jìn)一步地，還可對(duì)發(fā)射源進(jìn)行加工，使其圖案化，進(jìn)而通過改變磁場(chǎng)或?qū)υ词┘与妶?chǎng)來達(dá)到調(diào)控手性THz的目的。2020年，作者團(tuán)隊(duì)[101]利用TI(Bi2Te3)與Fe3GeTe2之間的界面工程效應(yīng)將Fe3GeTe2的鐵磁性維持至遠(yuǎn)超室溫以上，這是將二維鐵磁材料推向工業(yè)化的重要一步，也為自旋THz源發(fā)展及應(yīng)用提供了新的思路。

然而目前自旋THz在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用推廣依然存在一定的阻礙，比如偏振態(tài)調(diào)控的頻譜寬度較窄，調(diào)控的頻率單一，利用強(qiáng)場(chǎng)THz源進(jìn)行相關(guān)研究較少等。因此，為解決這些問題, 深入挖掘THz發(fā)射機(jī)理，需要綜合利用光學(xué)、THz、自旋電子學(xué)等多學(xué)科交叉手段,進(jìn)行新材料的開發(fā)和新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，這是推動(dòng)自旋THz走向應(yīng)用的必經(jīng)之路。