近日，國内首套自主研制的太赫茲掃描隧道顯微鏡系統，“誕生”在王天武實驗室裏，該系統兼顧原子級（埃級）出色的空間分辨率以及高于 500 飛秒的時間分辨率。
▲圖 | 太赫茲掃描隧道顯微鏡系統（來源：資料圖）
太赫茲，是介于遠紅外和微波之間的電磁波，具有光子能量低、穿透性好等特點，在高速無線通信、光譜學、無損傷成像檢測和學科交叉等領域具備廣泛應用前景，被譽爲“改變未來世界的十大技術”之一。
簡單來看，太赫茲掃描隧道顯微鏡系統就是一個超快攝影機，隻不過它要觀察和拍攝的對象是分子和原子世界，并且拍攝的幀率在亞皮秒量級。對于非線性太赫茲科學來說，控制太赫茲脈沖的“載波包絡相位”，即激光脈沖的載波與包絡之間的關系至關重要，特别是用于超快太赫茲掃描隧道顯微鏡時。
太赫茲載波包絡相位移相器的設計和實現，在利用太赫茲脈沖控制分子定向、高次諧波生成、阈上電離、太赫茲波前整形等領域，均具備潛在應用價值。
（來源：Advanced Optical Materials）
爲調控太赫茲的載波包絡相位提供新方案
據介紹，王天武在中科院空天信息研究院（廣州園區）-廣東大灣區空天信息研究院擔任主任和研究員等職務，研究方向爲太赫茲技術。目前，其主要負責大灣區研究院的太赫茲科研隊伍建設。
該研究要解決的問題在于，常規探測手段隻能得到靜态的原子形貌圖像，無法觀察物質受到激發，例如經過激光輻照後的動态弛豫過程圖像，即無法觀察到激子的形成、俄歇複合、載流子谷間散射等過程，而這些機理的研究，對于凝聚态物理學包括産業化應用都非常重要。
原因在于，這些動力學過程發生的時間尺度，往往都在皮秒量級，即萬億分之一秒的時間，任何普通調控手段均無法達到這一時間量級。利用飛秒脈沖激光技術，能顯著提高掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）這一掃描探針顯微術工具的時間分辨率。
但是，目前仍受到多種因素的限制，比如樣品和針尖制備困難、針尖的電容耦合效應、脈沖光引起的熱膨脹效應等。太赫茲的脈沖寬度位于亞皮秒尺度，其電場分量可被看作一個在很寬範圍内、連續可調的交流電流源。
因此，将太赫茲電場脈沖與 STM 結合，利用其瞬态電場，即可作用于掃描針尖和樣品之間的空隙，從而産生隧穿電流進行掃描成像，能同時實現原子級空間分辨率和亞皮秒時間分辨率。如前所述，太赫茲掃描隧道顯微鏡系統好比一個超快攝影機。
但是，太赫茲電場脈沖和 STM 的實際結合過程，卻并非那麽簡單，中間要攻克諸多難題。其中一個最基礎的重要難題，在于太赫茲源的相位調控技術。太赫茲掃描隧道顯微鏡系統是利用太赫茲激發針尖尖端和樣品之間的空隙，來産生隧穿電流并進行采樣。
不同相位太赫茲源的電場方向不一樣，這樣一來所激發的隧穿電流的方向亦不相同。根據不同樣品施加不同相位的太赫茲源，可以更好地匹配樣品，進而發揮系統性能優勢，借此得到高質量光譜。
因此，通過簡單高效的途徑，就能控制太赫茲脈沖的載波包絡相位，借此實現對于隧道結中近場太赫茲時間波形的主動控制，同時這也是發展超快原子級分辨技術的必備階段。通常，超短脈沖的載波包絡相位，必須通過反饋技術來穩定。
除少數例子外，比如用雙色場激光等離子體産生的太赫茲輻射源，大多數商業化設備産生的太赫茲脈沖的載波包絡相位都是鎖定的，例如人們常用的光整流技術生成的太赫茲脈沖。
多個太赫茲偏振元件組成的複雜裝置，可用于控制太赫茲脈沖的載波包絡相位。然而，鑒于菲涅耳反射帶來的損耗，緻使其插入損耗很大，故無法被廣泛應用。
另外，在太赫茲波段，大部分天然材料的色散響應較弱、雙折射系數較小，很難被設計成相應的載波包絡相位控制器件，因此無法用于具有寬頻率成分的太赫茲脈沖。
與天然材料相比，超材料是一種由亞波長結構衍生而來的、具有特殊光學特性的人工材料，其對電磁波的色散響應和雙折射系數，均可進行人爲定制。雖然超材料技術發展迅猛。但是，由于近單周期太赫茲脈沖的寬帶特性，利用超材料對太赫茲脈沖的載波包絡相位進行控制，仍是一件難事。
爲解決這一難題，王天武用超材料制備出一款芯片——即柔性太赫茲載波包絡移相器，專門用于控制太赫茲脈沖的載波包絡相位。該芯片由不同結構的超材料陣列組成，可在亞波長厚度和不改變太赫茲電場極化的情況下，實現對太赫茲載波包絡相位的消色差可控相移，其對太赫茲脈沖的載波包絡相位的相移調制深度高達 2π。
相比傳統的太赫茲載波包絡相位移相器，該移相器具有超薄、柔性、低插損、易于安裝和操作等優點，有望成爲太赫茲掃描隧道顯微鏡系統的核心部件。
近日，相關論文以《基于超材料的柔性太赫茲載波環移相器》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）爲題發表在 Advanced Optical Materials 上，李彤和全保剛分别擔任第一和第二作者，王天武和空天信息創新研究院方廣有研究員擔任共同通訊作者。
▲圖 | 相關論文（來源：Advanced Optical Materials）
審稿人認爲：“此研究非常有趣、簡明扼要，研究團隊完成了一套完備的工作體系。該芯片的設計和實現，爲調控太赫茲的載波包絡相位提供了新的解決方案。”
建立國際領先的太赫茲科學實驗平台
據介紹，王天武所在的研究院，圍繞制約人類利用太赫茲頻譜資源的主要科學問題和技術瓶頸，緻力于形成一批引領國際的原創性理論方法和太赫茲核心器件技術，以建立國際領先的太赫茲科學實驗平台。
他說：“太赫茲掃描隧道顯微鏡是我們院的一大特色，該設備摒棄了此前施加電壓的方式，以太赫茲爲激發源，去激發探針尖端和樣品之間的間隙，從而産生隧穿電流并進行成像。相關技術在國内屬于首創，在國際上也處于領先水平。”
在諸多要克服的困難中，太赫茲載波包絡相位的調制便是其中之一。入射太赫茲的相位大小對激發的隧穿電流的幅值、相位等信息影響甚大，是提高設備時間和空間分辨率必須要解決的重要問題之一。
由于設備腔體比較長，并且腔體内部爲高真空環境，與外界空氣是隔絕的。傳統的太赫茲相位改變方式比較難以實現，因此需要研發新型的相位調制器件。
而該課題立項的初衷，正是希望找到一種結構簡單、但是對太赫茲載波包絡相位調制效率高的方法和裝置，以便更好地服務于太赫茲掃描隧道顯微鏡系統。在文獻調研的初始階段，該團隊商定使用超材料來制作太赫茲相位調制器。
具體來說，其利用特定的金屬分裂環諧振器的幾何相位、以及共振相位，來控制太赫茲脈沖的載波包絡相位值。之所以選擇金屬分裂環諧振器作爲基本相控單元，是因爲在一定條件下，它對太赫茲具有寬譜響應。
當任意方向的線偏振波與諧振器耦合時，入射電場分量可映射到平行于諧振器對稱軸和垂直于諧振器對稱軸，借此可以激發諧振器的對稱本征模和反對稱本征模。此時，通過改變金屬分裂環諧振器的幾何相位和共振相位，散射場的某一偏振分量的電場相位會相應延遲，大小可以輕松覆蓋 0-2π。
但是，由于存在電偶極子的雙向輻射，導緻金屬分裂環諧振器存在明顯的反射和偏振損耗。爲此，課題組引入了一對正交的定向光栅，利用多光束幹涉的方式解決了諧振器插入損耗大的問題。
随之而來的另一難題是，由于正交光栅的存在，導緻入射波和透射波之間的電場偏振始終是垂直的，在太赫茲掃描隧道顯微鏡系統的工作中，這是不被允許的。好在樣品均是由互易材料制成的，于是這一問題很快迎刃而解。
随後，該團隊采用常規紫外光刻、電子束沉積以及聚酰亞胺薄膜上的剝離技術，制備出相關樣品，并利用太赫茲時域光譜系統，對所制備的樣品性能進行表征。
當入射的太赫茲脈沖，依次被樣品中不同的微結構陣列調制時，研究人員通過太赫茲時域光譜測量，清晰觀察到了太赫茲脈沖的時間波形的變化，且與仿真結果十分吻合。此外，課題組還在廣角入射和大樣品形變時，驗證了該樣品的魯棒性。
總而言之，該成果爲寬帶太赫茲載波包絡相位的控制，提供了一種新型解決方案，并在不改變太赫茲電場極化的情況下，利用“超材料”在亞波長厚度的尺度上，實現了針對寬帶太赫茲載波包絡相位的消色差可控相移。關于這一部分成果的相關論文，也已發表在《先進光學材料》期刊。
（來源：Advanced Optical Materials）
據介紹，此次芯片能把太赫茲的相位最高移動至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韌性等優點，在太赫茲掃描隧道顯微鏡系統，以及其他相關領域有較高的應用價值。
但是，該芯片目前仍存在一個缺點，即無法做到太赫茲載波包絡相位的連續調制。這是由于，采用的金屬分裂環諧振器是單次加工制成的，所能調制的幾何相位和共振相位已經确定，無法再被人爲改變。因此，使用過程中隻能通過加工特定結構的芯片，來實現所需相位的調制。
未來，該團隊打算将當下比較熱門的二維材料、相變材料、液晶材料等材料集成到芯片中，這些材料的優勢在于光學性能可被人爲改變。同時，其還将綜合電、光、熱等手段，實現金屬分裂環諧振器幾何和共振相位的主動控制，從而實現對太赫茲脈沖的連續載波包絡相位調制。
此外，課題組也會繼續優化微加工工藝和原料制備流程，進一步提升芯片的綜合性能指标，比如器件的低插入損耗、高工作帶寬等，同時也将降低制造成本，以便後續的産業化推廣。
參考資料：
1.Li, T., Quan, B., Fang, G., & Wang, T. (2022). Flexible THz CarrierEnvelope Phase Shifter Based on Metamaterials. Advanced Optical Materials, 2200541.
田工