近日，電子科學(xué)與工程學(xué)院、電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室齊靜波教授課題組與合作者一起，在國際著名期刊《Nature Communications》和《Physical Review Letters》上相繼發(fā)表相關(guān)研究成果，在太赫茲相關(guān)領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。

圖1：外爾半金屬中的時域太赫茲發(fā)射譜，改變?nèi)肷滹w秒激光的偏振態(tài)（不同圓偏振或線偏振）可以調(diào)控發(fā)射的太赫茲波性質(zhì)，包括手性（用不同顏色代表）、橢偏性和強(qiáng)度

近年來，拓?fù)渫鉅柊虢饘僖驗(yàn)槠洫?dú)特的電子結(jié)構(gòu)受到特別的關(guān)注，尤其是其中的圓偏振或線偏振光電效應(yīng)（Circular or Linear Photogalvanic Effect）是未理解的現(xiàn)象之一。齊靜波教授課題組與合作者在拓?fù)渫鉅柊虢饘賂aAs中發(fā)現(xiàn)了可調(diào)控的寬帶手性太赫茲波發(fā)射，并揭示了該發(fā)現(xiàn)與外爾物理間的深層次關(guān)系。

研究成果以《外爾半金屬TaAs中的手性太赫茲波發(fā)射》(“Chiral Terahertz Wave Emission from the Weyl Semimetal TaAs”)為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。課題組碩士研究生高羽為第一作者（電子科技大學(xué)為第一署名單位），齊靜波教授作為通訊作者設(shè)計和指導(dǎo)了整個研究項目。美國紐約石溪州立大學(xué)Mengkun Liu教授和Dmitri Kharzeev教授課題組為本工作提供了理論支持，兩位教授為論文的共同通訊作者。中科院物理所的翁紅明研究員提供了理論幫助。中科院物理所李治林博士提供了高質(zhì)量單晶材料。

齊靜波教授課題組以典型的拓?fù)渫鉅柊虢饘賂aAs為例，系統(tǒng)的研究了該材料中的超快光電流、太赫茲發(fā)射及調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果表明，超快光電流在時域上是具有手性的，手性的調(diào)控可以通過改變圓偏振或線偏振光電效應(yīng)相關(guān)的電流來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而改變?nèi)肷滹w秒激光的偏振狀態(tài)會直接改變出射的太赫茲波的極化性質(zhì)（線偏或橢偏）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光子能量的變化也會改變光電流及太赫茲輻射強(qiáng)度，在近紅外波段達(dá)到最優(yōu)值。

文中首次揭示了手性外爾費(fèi)米子在傾斜的各向異性外爾錐和體帶之間的選擇性光學(xué)躍遷過程中，相對能帶速度發(fā)生巨大變化引起了圓偏光電效應(yīng)相關(guān)的高強(qiáng)度超快非熱光電流，其強(qiáng)度依賴入射光的光子能量（?ω）。在近紅外光譜附近滿足關(guān)系：。該工作為利用量子材料制造手性光源提供了一個全新設(shè)計概念，并為利用外爾物理研發(fā)超快光電子器件開辟了新的道路。

圖2：費(fèi)米面附近的手性外爾點(diǎn)在近紅外附近的圓偏振光光電效應(yīng)中起的關(guān)鍵作用

基于稀土材料與錒系金屬化合物的f電子材料，在基礎(chǔ)科學(xué)和國防科研中都非常重要，由于有很多豐富的物理性質(zhì)，如非常規(guī)超導(dǎo)，強(qiáng)熱電效應(yīng)，奇異量子相變等，所以一直受到研究者的關(guān)注。這些奇異性質(zhì)跟這類材料中電子能帶重整化，或形成所謂的重費(fèi)米子態(tài)息息相關(guān)。齊靜波教授課題組與合作者通過超快光譜技術(shù)揭示了重費(fèi)米子材料CeCoIn5中電子能帶雜化演變過程，解決了目前該類體系中之前很多實(shí)驗(yàn)觀察中的矛盾，同時指出了現(xiàn)有單雜質(zhì)近藤效應(yīng)（Kondo Effect）模型的缺陷。

研究成果以《CeCoIn5中電子能帶雜化動力學(xué)的超快光譜研究》(“Hybridization Dynamics in CeCoIn5Revealed by Ultrafast Optical Spectroscopy”)為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》。課題組博士研究生劉羽鵬為第一作者（電子科技大學(xué)為第一署名單位），齊靜波教授作為通訊作者設(shè)計和指導(dǎo)了整個研究項目。中科院物理所的楊義峰研究員課題組為本工作提供了理論支持，楊義峰研究員為論文的共同通訊作者。浙江大學(xué)的袁輝球課題組提供了高質(zhì)量單晶材料。

齊靜波教授課題組以典型的重費(fèi)米子體系CeCoIn5為研究對象，利用超快光譜實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)地研究了液氦至常溫范圍內(nèi)該體系中光激發(fā)載流子和集合激發(fā)的動力學(xué)。超快光學(xué)手段在不同的時間和空間尺度上探測到了準(zhǔn)粒子的弛豫過程，進(jìn)一步揭示了深層次的電子能帶雜化動力學(xué)。研究結(jié)果表明，在55 K(T*：相干溫度)以下時，材料的快弛豫過程隨著泵浦光功率密度變化有顯著變化，且隨著溫度上升變快。這意味著T*以下費(fèi)米面附近能隙的打開，相干重費(fèi)米子態(tài)的形成；在55 K(T*)以上時，快弛豫過程的速度不再隨泵浦功率密度變化，但仍然隨升溫變快直至120K（T?>>T*）后趨于飽和平緩。這里的T*與T?，分別與先前輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)與ARPES實(shí)驗(yàn)所得出的溫度非常一致。上述觀察到的溫度演化揭示了以下兩個物理過程：在T?以下時，電子能帶結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始變化，出現(xiàn)了所謂的“雜化漲落”，體系進(jìn)入“預(yù)雜化”的狀態(tài)；當(dāng)溫度降至T*以下時，進(jìn)一步進(jìn)入相干重電子態(tài)，這時體系受到一個間接窄帶隙的保護(hù)。通過進(jìn)一步的理論模型擬合，首次定量給出這個窄帶隙大小~8 meV~2 THz。這兩個物理過程統(tǒng)一解釋了之前其它實(shí)驗(yàn)中得到的看似矛盾的結(jié)論。本工作也為理解重費(fèi)米子體系中的物理機(jī)制提供了重要線索。

圖3：CeCoIn5的泵浦-探測弛豫過程隨溫度及泵浦功率密度的變化

上述兩個工作得到國家自然科學(xué)基金委、廣東東莞核心科學(xué)技術(shù)前沿項目、和科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。

齊靜波教授2017年3月加入電子科技大學(xué)，其領(lǐng)導(dǎo)的課題組主要從事材料中的超快光譜和太赫茲譜研究，主要研究對象為拓?fù)洹⒋判浴?qiáng)關(guān)聯(lián)超導(dǎo)和重費(fèi)米子等量子材料體系。近年來，該課題組在新型太赫茲發(fā)射機(jī)制探索、自旋載流子超快調(diào)控等研究方向上做出了很多開拓性的工作，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《Physical Review Letters》《Nature Communications》等國際著名期刊。