太赫兹光谱在自旋电子学中的应用

定　　价：278 元

• 作者：马国宏
• 出版时间：2021/8/1
• ISBN：9787562863595
• 出 版 社：华东理工大学出版社

• 中图法分类：O441.4 
• 纸张：胶版纸
• 开本：16开

内容简介

本书主要介绍了太赫兹光谱在自旋电子学中的应用,包括三个部分,分包括1~3章,介绍了太赫兹概述和光谱技术;第二部分为本书的重点,包括第4~6章,主要介绍了太赫兹波与磁有序介质的相互作用;第三部分包括第7、8章,介绍了太赫兹强场与电子自旋的非线性相互作用,进而实现自旋波的太赫兹非线性调控。本书可作为太赫兹光谱、太赫兹自旋电子学等研究领域科研人员和相关学科研究生的参考书和工具书,为将要从事该研究的科研工作者提供一定的参考和借鉴,亦可供有关工程技术人员参考。

编辑推荐

"战略前沿新技术太赫兹出版工程是华东理工大学出版社重大学术出版项目，得到了中国科学院雷啸霖院士、中国工程院庄松林院士等国内知名专家学者的大力支持。丛书总主编曹俊诚，中科院上海微系统与信息技术研究所研究员，国家杰出青年基金获得者（2004）、中科院百人计划入选者（2009）、国务院政府特殊津贴获得者、国家科技部重大仪器专项首席科学家。丛书共14分册，具体分为太赫兹源、太赫兹探测及太赫兹应用三大部分，阐释太赫兹测试过程中的各种前沿技术，详细介绍太赫兹基础性能研究以及太赫兹技术在国防、安全、通信、医疗、天文等诸多领域的应用，结合创作者多年的相关研究成果和实践经验，借鉴和归纳总结国内外相关研究领域专家学者和科研人员的研究成果，是国内首套全面、详细介绍太赫兹技术的原创丛书，代表了国内一流研究水平，为该领域专业人员提供关键技术参考，旨在加强先进技术的研发、推广和应用。本书为战略前沿新技术太赫兹出版工程13分册，全书采用80克雅质纸，彩色印刷。本书主要介绍了太赫兹光谱在自旋电子学中的应用,包括太赫兹概述和光谱技术、太赫兹波与磁有序介质的相互作用，以及太赫兹强场与电子自旋的非线性相互作用。本书可作为太赫兹光谱、太赫兹自旋电子学等研究领域科研人员和相关学科研究生的参考书和工具书,为将要从事该研究的科研工作者提供一定的参考和借鉴,亦可供有关工程技术人员参考。

序 言

得益于飞秒激光技术的发展与完善,太赫兹(terahertz,THz)光谱学是THz科学与技术领域中发展超快和超完善的领域之一。大多数凝聚态物质中,其分子的振动和转动能级、超导能隙、半导体量子阱的子带间跃迁、磁振子等元激发能量均位于THz频段,THz光谱技术为研究这些元激发的形成、弛豫动力学、相变动力学和元激发粒子的量子调控等提供了有力的光谱学方法。据作者了解,目前几乎所有的THz光谱学专著均讨论基于THz辐射脉冲的电场与物质相的电偶极化间的相互作用,极少讨论THz波与磁有序介质间的相互作用。从近几年发表的研究论文和综述论文看,有大量的研究工作基于THz辐射脉冲与磁有序介质间的相互作用,也即所谓的THz自旋电子学。这里其实包括三方面内容:一是基于THz辐射脉冲磁场与磁有序介质共振和非共振相互作用。THz辐射脉冲磁场与磁有序介质的塞曼(Zeeman)转矩,可以诱导自旋波的激发、自旋极化的调控,以及利用THz磁光光谱研究磁有序介质的动态磁相变过程。值得一提的是,由于THz辐射脉冲磁场持续时间约为1ps,这为产生具有亚皮秒的超快磁脉冲提供了新的实现方案。二是基于THz电场脉冲驱动磁有序介质的自旋波激发、相干控制和磁相变等。例如,THz电场脉冲驱动晶体的各向异性场实现对自旋波的激发和调控;THz电场脉冲驱动介质的声子而产生有效场实现对自旋极化的激发和控制;利用THz电场脉冲与磁有序介质的逆法拉第(Faraday)效应,产生瞬态磁场,从而驱动介质的自旋极化及其相变等。三是基于飞秒激光脉冲与磁有序介质的相互作用诱导高效THz辐射,其受到THz学界的高度关注。这一方面为研制紧凑型、集成化、低价格和高效率的THz辐射源提供了新的实现途径,同时也为深入理解和探索超快激光与磁有序相互作用的内在机制提供了一种新的研究方法。展望未来,作为一种新的光谱学方法,THz光谱学受到越来越多的学界和工业界人员的广泛关注。由于作者水平有限,不敢也不可能对THz研究前景做相关预测。下面就作者个人理解,仅对THz光谱学做几点展望,希望能起到抛砖引玉的作用。强THz辐射源:产生单周期或少周期强THz相干辐射源一直是THz学界追求的目标。除了自由电子激光器等科学仪器装置外,如果能在实验室中获得峰值强度为1GV/cm以上的THz辐射源,则可以极大推动THz强场物理研究,包括THz辐射脉冲驱动高次谐波、THz辐射脉冲驱动(磁)相变动力学,以及强THz非线性光学等研究。THz高灵敏探测:实现小型化、低价格和高效率的THz单光子探测器是各国研究人员追求的目标。THz单光子探测器在量子信息和天体物理等领域具有极其重要的意义。目前主要基于超导异质结实现THz单光子检测,如何实现室温下THz单光子检测仍具有极大的挑战。THz光子与元激发粒子强耦合:实现THz光子与各种元激发粒子间的强耦合,例如,THz光子与磁振子强耦合实现THz极化磁振子。这在THz光子的量子纠缠态和THz单光子源制备等方面具有十分重要的研究价值。此外,基于THz的低能性,将THz光谱学技术应用于拓扑量子材料研究。例如利用THz光谱探索拓扑绝缘体表面态费米面附近电子的输运动力学、拓扑半金属(Dirac和Weyl半金属)费米面附近电子的动态输运特性,以及基于THz时间分辨光谱学研究拓扑态与非拓扑态相变动力学等。本书重点关注THz光谱在自旋电子学中的应用。分为THz概述和光谱技术,包括3章内容。1章为THz辐射与磁有序介质相互作用概述。第2章简要介绍了基于光子学方法THz辐射脉冲的产生和探测原理,重点介绍了强THz辐射脉冲的实现原理和实验方案。第3章介绍了各种THz光谱技术(包括THz时域光谱、THz时间分辨光谱和THz磁光光谱),以及基于THz光谱的物质参数(如复介电常数、复磁导率和复电导率等)的提取。第二部分为本书的重点,主要介绍了THz波与磁有序介质的相互作用,包括3章内容。第4章重点介绍了利用THz时域光谱研究倾角反铁磁(RFeO3)中各种自旋模式的激发、自旋重取向相变,以及自旋波的THz线性相干控制等。第5章介绍了利用THz时域光谱技术实现自旋分辨的电子输运。第6章主要介绍了基于自旋的THz相干辐射源,包括基于超快退磁THz辐射、逆法拉第效应的窄带THz辐射和基于逆自旋霍尔效应的高效、宽带THz辐射。第三部分介绍了THz强场与电子自旋的非线性相互作用,进而实现自旋波的THz非线性调控,包括2章内容。第7章为自旋波与磁有序介质强相互作用概述,包括THz强磁场诱导非线性塞曼转矩,THz强场驱动超快退磁及其动力学过程,THz强场驱动有效场和THz强场驱动反铁磁体系的二次谐波等非线性效应。第8章介绍了THz腔结构中的自旋波与THz光子的强相互作用,从经典物理和半量子力学角度介绍THz人工微结构腔中,自旋波与腔模式间的耦合效应及其自旋模式的调控。本书的一部分适用于刚接触THz光谱的初学者。第二部分和第三部分适用于本科高年级和研究生阅读,也适用于从事THz光谱研究的科技人员阅读。本书由上海大学马国宏和上海理工大学金钻明编著,在本书编写过程中得到了上海大学林贤、张顺浓、张文杰、国家嘉、李炬赓、金凯龙、傅吉波、宋邦菊、索鹏、阮舜逸、陈家明等老师和同学的支持和帮助,在此表示感谢。本书参考和引用的文献、专著等列入了全书后的参考文献中,在此谨向有关作者表示衷心的感谢。本书的成书过程中,得到了国家自然科学基金项目(批准号:11604202, 11674213, 61735010, 61975110)的资助。尽管编写人员在编著过程中查阅了大量的文献资料,进行了整理、核对和提炼,但是由于水平所限,本书难免存在疏漏和不足之处,敬请广大读者批评指正。

作者介绍

马国宏，男，博士，教授，博士生导师，首批上海市 东方学者特聘教授。美国光学学会会员，新加坡材料研究会会员。上海大学理学院物理系副主任，主管研究生教育，电子信息科学与技术教研组组长。1993年毕业于河南大学，2001年获复旦大学光学专业博士学位。2001-2005年在新加坡国立大学做Research Fellow。2005年至今，于上海大学担任教授。在国内外学术期刊Physical Review B、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等发表学术论文80余篇。金钻明，男，副教授，硕士生导师。2015年入选首届上海高校青年东方学者， 2017年入选晨光计划。入选2018年度上海市青年科技启明星计划。2013年获上海大学博士学位，博士学位论文获得2014年上海市研究生优秀成果（博士学位论文）。2013-2015年在德国马克斯普朗克高分子研究所从事博士后研究工作。2015年9月起于上海大学任教，任特聘副研究员。2019年10月起于上海理工大学任副教授。从事超快激光时域光谱和太赫兹光谱学，研究领域主要涉及光子与凝聚态物质中电子自旋相互作用及其动力学的研究。目前主持一项国家自然科学基金青年项目和一项面上项目，参与一项国家自然科学基金重点项目。

目 录

1 THz辐射特点概述001
1.1 THz辐射及其应用简述003
1.2 THz波与磁有序介质相互作用概述005
2 基于光子学方法THz辐射脉冲的产生与探测011
2.1 THz辐射脉冲013
2.1.1 光电导天线产生THz辐射脉冲013
2.1.2 光整流产生THz辐射脉冲017
2.2 THz辐射脉冲探测023
2.2.1 光电导天线探测技术024
2.2.2 自由空间电光取样探测技术025
2.3 强THz辐射脉冲的产生028
2.3.1 切连科夫辐射(Cerenkovradiation)产生强THz辐射脉冲029
2.3.2 空气等离子体产生太赫兹波033
2.3.3 飞秒脉冲光学差频产生强THz辐射脉冲036
3 THz光谱技术039
3.1 THz时域光谱041
3.1.1 抽运探测技术041
3.1.2 THz时域光谱数据采集043
3.1.3 块体材料THz光学参数的提取047
3.1.4 导电薄膜的THz复电导率的提取050
3.1.5 THz光谱分析053
3.1.6 几种常见的介电函数模型054
3.2 THz时间分辨光谱057
3.2.1 光抽运THz探测光谱及应用057
3.2.2 THz抽运光探测光谱及应用060
3.2.3 THz抽运THz探测光谱及应用062
3.3 THz磁光效应及应用063
3.3.1 法拉第效应透射测量064
3.3.2 克尔效应反射测量066
3.3.3 THz波段法拉第旋转角和椭圆率的测量067
4 太赫兹自旋波及其相干控制071
4.1 反铁磁模式THz波共振激发及探测074
4.1.1 反铁磁晶体磁结构及磁相变074
4.1.2 THz磁场对反铁磁模式的共振激发077
4.1.3 RFeO3 中THz波段复磁导率和折射率计算082
4.2 RFeO3 自旋重取向相变THz探测085
4.2.1 温度诱导自旋重取向086
4.2.2 磁场诱导自旋重取向095
4.2.3 稀土离子掺杂调控晶体自旋重取向103
4.3 自旋波的THz相干控制110
4.3.1 双THz辐射脉冲对自旋波的相干控制110
4.3.2 单THz辐射脉冲对自旋波的相干控制:晶体各向异性114
4.4 晶体场中稀土离子的能级劈裂及选择跃迁117
4.5 总结与展望126
5 基于电子自旋的THz传输特性127
5.1 等离子体激元介质中电子自旋依赖的THz传输129
5.1.1 基于磁性纳米颗粒团簇的THz波调制129
5.1.2 基于亚波长双金属铁磁/非磁微粒组合结构的THz调制133
5.2 自旋分辨的电子输运参数的THz光谱研究137
5.2.1 巨磁阻效应138
5.2.2 磁输运参数的THz探测141
5.3 THz频段的反常霍尔效应145
5.3.1 霍尔效应、反常霍尔效应与自旋霍尔效应145
5.3.2 磁光效应与反常霍尔效应的理论联系146
5.3.3 反常霍尔效应的THz探测148
6 基于电子自旋的THz辐射特性153
6.1 铁磁薄膜超快退磁THz辐射156
6.2 瞬态逆自旋霍尔效应实现高功率THz辐射159
6.3 Rashba界面上的THz辐射171
6.4 飞秒激光诱导反铁磁晶体的窄带THz辐射特性174
6.5 顺磁性晶体的THz切连科夫辐射179
6.6 本章小结181
7 THz强场与磁有序介质的非线性作用183
7.1 THz强磁场诱导非线性塞曼转矩186
7.1.1 THz强磁场诱导反铁磁非线性磁化动力学186
7.1.2 THz强磁场驱动自旋磁化翻转190
7.1.3 自旋轨道矩驱动反铁磁共振的THz光谱探测193
7.2 THz强场驱动超快磁动力学196
7.2.1 相位锁定的强THz辐射脉冲诱导非共振磁动力学197
7.2.2 THz驱动超快自旋晶格散射201
7.3 THz强场驱动的有效磁场205
7.3.1 THz场驱动的各向异性场实现非线性自旋控制205
7.3.2 光驱动声子产生有效磁场209
7.4 THz强场驱动反铁磁体二次谐波产生213
7.5 本章小结218
8 腔结构中磁模式与THz的非线性耦合219
8.1 强耦合效应理论背景简介222
8.1.1 经典谐振子模型223
8.1.2 半经典模型224
8.1.3 全量子力学模型224
8.2 一维光腔中THz光子与磁振子间的强耦合效应225
8.2.1 稀土铁氧化物法布里珀罗腔中THz波与自旋波的强耦合效应226
8.2.2 一维光子晶体腔中THz波与二维电子气朗道能级的强相互作用233
8.3 二维超结构光腔中THz光子与2DEG朗道能级间的强耦合效应237
8.4 稀土铁氧化物中稀土离子能级与磁振子间的强耦合效应241
8.5 本章小结249
参考文献250
索引260