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實驗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）、橢偏性和強度

近年來，拓撲外爾半金屬因為其獨特的電子結(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撲外爾半金屬TaAs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撲外爾半金屬TaAs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)的電流來實現(xiàn)的，進而改變?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）。實驗發(fā)現(xiàn)光子能量的變化也會改變光電流及太赫茲輻射強度，在近紅外波段達到最優(yōu)值。

文中首次揭示了手性外爾費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)的高強度超快非熱光電流，其強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：費米面附近的手性外爾點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驗觀察中的矛盾，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米子體系CeCoIn5為研究對象，利用超快光譜實驗手段系統(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*以下費米面附近能隙的打開，相干重費米子態(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?，分別與先前輸運實驗與ARPES實驗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”，體系進入“預(yù)雜化”的狀態(tài)；當(dāng)溫度降至T*以下時，進一步進入相干重電子態(tài)，這時體系受到一個間接窄帶隙的保護。通過進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驗中得到的看似矛盾的結(jié)論。本工作也為理解重費米子體系中的物理機制提供了重要線索。

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，主要研究對象為拓撲、磁性、強關(guān)聯(lián)超導(dǎo)和重費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。