点亮量子领域：太赫兹光谱学和对称破缺材料_今亮点

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超快光场入射到空间对称性（蓝色）、时间反转对称性（黄色）或两者（绿色）破缺的材料上，产生太赫兹辐射。插图说明了导致整流太赫兹电流高频光场的各种机制。图片来源：Hou-Tong Chen/洛斯阿拉莫斯国家实验室

一组科学家发表了一篇文章，讨论利用太赫兹 (THz) 发射光谱来揭示新兴材料的特性，例如量子材料和石墨烯等低维材料。他们回顾了内在结构和外在结构之间相互作用的研究，并预见了设计新材料相互作用对称性的机会，有可能发现新的材料特性。

在 6 月 1 日发表在《光：科学与应用》杂志上的一篇新文章中，由洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心的 Hou-Tong Chen 领导的一组科学家回顾了近期利用太赫兹进行的一系列研究（太赫兹）发射光谱揭示新兴材料的基本特性和复杂的动力学行为。其中包括超导体和磁体等量子材料，以及石墨烯和金属纳米结构等低维材料。

“尽管存在多种非线性光学光谱，但太赫兹发射使您能够探测其他技术无法看到的材料特性和动力学，”该论文的共同主要作者之一雅各布·佩廷（Jacob Pettine）说。“因此，这种方法对于研究新材料变得非常重要。”

太赫兹发射光谱的核心概念是将高频光场整流为低频场，类似于将墙壁上的交流 (AC) 电流转换为可为设备供电或为电池充电的定向 (DC) 电流所需的整流。任何整流过程的基础都是对称性破缺——通常是空间镜像/反演对称性，尽管时间反转对称性破缺成为磁系统的关键。

“在最基本的层面上，太赫兹辐射的发射需要你的材料在空间和/或时间上具有某种方向性，”共同主要作者 Nicholas Sirica 指出。“所以，如果你发出任何太赫兹光，它会立即告诉你一些关于系统对称性的信息。”

共同主要作者 Prashant Padmanabhan 补充说：“然后，您可以通过测量发射的太赫兹场响应不同的入射光偏振、频率或振幅，从而详细了解材料结构、电子和磁性以及光与物质的相互作用。”

评论中探讨的一个补充主题是内在（即原子晶格）和外在（人工/纳米级）结构之间的相互作用，其中人工结构可以引入新的对称性并增强太赫兹电流响应，否则这些响应在内在/纳米级结构中可能会很弱或被禁止。散装材料。到目前为止，重点主要是探索（i）新兴量子材料的复杂整体特性，或（ii）相对简单的金属、半金属或半导体的低维/纳米结构形式中可能发生的复杂行为。本次审查的一个目标是突出这些想法交叉点的机会。

“在这篇综述论文中，我们的目标是概述迄今为止通过太赫兹发射探索的基本系统和基本机制，”陈指出。“我们还试图强调在人工结构系统（例如等离子体超表面）中设计这种材料和光与物质相互作用对称性的机会。”

该论文指出，内在、外在和混合材料结构之间的相互作用可能会刺激发现超出现有材料范式的奇异特性和现象。