获得高性能的太赫兹脉冲源一直是太赫兹领域研究的热点。传统的太赫兹脉冲源主要有电光晶体、光电导天线、空气等离子体等，但它们在频谱、成本、简便性等方面存在一定不足。2013年，德国Fritz Haber Institute的T. Kampfrath等人报道了一种新型的自旋太赫兹脉冲[Nature Nanotechnology,2013]，利用铁磁/非磁双层纳米薄膜中的超快自旋流注入和逆自旋霍尔效应产生太赫兹脉冲。此新型太赫兹脉冲源具有结构简单、成本低廉、偏振可调、频谱宽（>10THz）等优点。更进一步，T. Kampfrath团队通过选择大自旋霍尔角的非磁层、优化铁磁/非磁层厚度、利用三层膜结构同时利用前向和后向自旋流等方法，于2016年将自旋太赫兹脉冲源的产生效率提升到商用ZnTe晶体的同等量级水平[Nature Photonics,2016]。
微太中心太赫兹物理团队针对自旋太赫兹源薄膜结构与激光相互作用的物理制约，提出金属-介质光子晶体增强结构，将太赫兹辐射效率提升至1.7倍，突破了当前瓶颈。应用于一所的太赫兹近场超分辨成像实验装置，分辨率相比国际同类技术路线提高近1个量级。
团队在成立之初便深入论证了该新型太赫兹源的独特优势和应用潜力，确立为科室的重要发展方向之一。在研究初期，团队尝试了大量的材料组合、结构优化、组分掺杂和界面调控等方法，但均未能突破上述效率指标。国际上亦有多个研究小组在同步探索，亦未能有新的突破。那么，自旋太赫兹源的效率是否真的已经达到极限？如果不是，要如何突破瓶颈？这些问题成为团队不断思考和尝试解决的重点。通过融合团队中自旋电子学、光学和太赫兹的多学科力量，大胆假设，不断碰撞，对于自旋太赫兹发射机理形成了更加深入的认识。最终，将其物理过程分解成了三个不同学科主导的阶段：①超快激光与纳米厚度自旋材料的相互作用过程；②自旋材料的超快自旋流产生和自旋流-电荷流转化过程；③瞬态电流变化辐射太赫兹波的过程。然而，当前国际上几乎所有研究重心都集中在以自旋为主导的过程②。于是，团队判断分别涉及光学和太赫兹的两个过程可能是突破瓶颈的蹊径。
团队从超快激光与纳米厚度自旋材料的相互作用机制出发，构建了激光能量吸收的物理模型，首次从理论上发现其纳米薄膜的构型决定了其必定存在激光吸收率不大于50%这一物理极限，直接制约了太赫兹波的辐射强度。针对该瓶颈问题，团队提出金属-介质光子晶体增强结构，通过内部界面的多重散射和干涉效应同时抑制激光的反射和透射，从而提升吸收率。理论计算表明，通过设计合适的相干光程可以提高吸收率至90%以上。最终实验实现自旋材料与飞秒激光相互作用增强一倍，太赫兹发射效率在当前最高水平的基础上提升70%（见图1），突破了自旋太赫兹源的效率瓶颈。相关成果发表于Advanced Optical Materials (中科院一区)，授权国家发明专利2项。
图1. 传统自旋太赫兹脉冲源(a)和金属-介质光子晶体自旋太赫兹脉冲源示意图(b)以及其太赫兹发射强度对比(c)
本成果应用于我院一所的太赫兹近场超分辨成像实验装置（图2a）。交付的自旋太赫兹源产生效率已达到传统毫米级厚度ZnTe晶体的水平，相比之下，其总厚度仅在百纳米量级，可以保证足够近的近场以获得微米量级的空间分辨率。利用空间编码的飞秒激光激发自旋太赫兹源，发射图形化的高空间精度的太赫兹脉冲以辐照近场目标，再结合计算鬼成像技术，最终实现对目标的超分辨太赫兹显微成像（见图2b），实测分辨率最高达到6.5μm（1/100个波长），相比国际同类技术提高近1个数量级。相关成果由一所牵头发表于光学顶级期刊Light: Science & Applications（太赫兹物理团队为共同一作）。太赫兹光谱领域著名专家德国凯泽斯劳腾工业大学Rene Beigang教授发表的最新自旋太赫兹源综述文章[Nanophotonics,2021]中评论此工作是第一项将自旋太赫兹源带入真实应用的工作（“the first implementation of spintronic emitters in real applications has been realized… illuminating an object at an extreme near field [55]”,其中参考文献[55]即此工作）。
图2. 太赫兹近场超分辨成像实验装置示意图(a)及实际成像效果(b)
此外，团队形成了与南京大学、中科院物理所、电子科大等单位的密切合作关系，相关成果还应用于中科大国家同步辐射实验室和南京大学的太赫兹时域光谱系统，均获得应用证明。
团队主要成员包括谭为、冯正、王大承和孙松。鉴于在自旋太赫兹源性能突破和应用方面的创新成果，分别受邀在Journal of Applied Physics期刊发表展望文章以及在《物理学报》发表综述文章，团队成员多次受邀在国际/国内会议做特邀报告。相关工作得到科学挑战专题、自然科学基金青年项目、重大仪器专项、国家重点研发计划等项目资助。
