近日，國內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(shí)驗室里，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(shí)間分辨率。

▲圖 | 太赫茲掃描隧道顯微鏡系統（來(lái)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(diǎn)，在高速無(wú)線(xiàn)通信、光譜學(xué)、無(wú)損傷成像檢測和學(xué)科交叉等領(lǐng)域具備廣泛應用前景，被譽(yù)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一。

簡(jiǎn)單來(lái)看，太赫茲掃描隧道顯微鏡系統就是一個(gè)超快攝影機，只不過(guò)它要觀(guān)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(xiàn)性太赫茲科學(xué)來(lái)說(shuō)，控制太赫茲脈沖的“載波包絡(luò )相位”，即激光脈沖的載波與包絡(luò )之間的關(guān)系至關(guān)重要，特別是用于超快太赫茲掃描隧道顯微鏡時(shí)。

太赫茲載波包絡(luò )相位移相器的設計和實(shí)現，在利用太赫茲脈沖控制分子定向、高次諧波生成、閾上電離、太赫茲波前整形等領(lǐng)域，均具備潛在應用價(jià)值。

（來(lái)源：Advanced Optical Materials）

為調控太赫茲的載波包絡(luò )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(wù)，研究方向為太赫茲技術(shù)。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(wèn)題在于，常規探測手段只能得到靜態(tài)的原子形貌圖像，無(wú)法觀(guān)察物質(zhì)受到激發(fā)，例如經(jīng)過(guò)激光輻照后的動(dòng)態(tài)弛豫過(guò)程圖像，即無(wú)法觀(guān)察到激子的形成、俄歇復合、載流子谷間散射等過(guò)程，而這些機理的研究，對于凝聚態(tài)物理學(xué)包括產(chǎn)業(yè)化應用都非常重要。

原因在于，這些動(dòng)力學(xué)過(guò)程發(fā)生的時(shí)間尺度，往往都在皮秒量級，即萬(wàn)億分之一秒的時(shí)間，任何普通調控手段均無(wú)法達到這一時(shí)間量級。利用飛秒脈沖激光技術(shù)，能顯著(zhù)提高掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）這一掃描探針顯微術(shù)工具的時(shí)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(chǎng)分量可被看作一個(gè)在很寬范圍內、連續可調的交流電流源。

因此，將太赫茲電場(chǎng)脈沖與 STM 結合，利用其瞬態(tài)電場(chǎng)，即可作用于掃描針尖和樣品之間的空隙，從而產(chǎn)生隧穿電流進(jìn)行掃描成像，能同時(shí)實(shí)現原子級空間分辨率和亞皮秒時(shí)間分辨率。如前所述，太赫茲掃描隧道顯微鏡系統好比一個(gè)超快攝影機。

但是，太赫茲電場(chǎng)脈沖和 STM 的實(shí)際結合過(guò)程，卻并非那么簡(jiǎn)單，中間要攻克諸多難題。其中一個(gè)最基礎的重要難題，在于太赫茲源的相位調控技術(shù)。太赫茲掃描隧道顯微鏡系統是利用太赫茲激發(fā)針尖尖端和樣品之間的空隙，來(lái)產(chǎn)生隧穿電流并進(jìn)行采樣。

不同相位太赫茲源的電場(chǎng)方向不一樣，這樣一來(lái)所激發(fā)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(jìn)而發(fā)揮系統性能優(yōu)勢，借此得到高質(zhì)量光譜。

因此，通過(guò)簡(jiǎn)單高效的途徑，就能控制太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位，借此實(shí)現對于隧道結中近場(chǎng)太赫茲時(shí)間波形的主動(dòng)控制，同時(shí)這也是發(fā)展超快原子級分辨技術(shù)的必備階段。通常，超短脈沖的載波包絡(luò )相位，必須通過(guò)反饋技術(shù)來(lái)穩定。

除少數例子外，比如用雙色場(chǎng)激光等離子體產(chǎn)生的太赫茲輻射源，大多數商業(yè)化設備產(chǎn)生的太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位都是鎖定的，例如人們常用的光整流技術(shù)生成的太赫茲脈沖。

多個(gè)太赫茲偏振元件組成的復雜裝置，可用于控制太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位。然而，鑒于菲涅耳反射帶來(lái)的損耗，致使其插入損耗很大，故無(wú)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(luò )相位控制器件，因此無(wú)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(cháng)結構衍生而來(lái)的、具有特殊光學(xué)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(jìn)行人為定制。雖然超材料技術(shù)發(fā)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(luò )相位進(jìn)行控制，仍是一件難事。

為解決這一難題，王天武用超材料制備出一款芯片——即柔性太赫茲載波包絡(luò )移相器，專(zhuān)門(mén)用于控制太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位。該芯片由不同結構的超材料陣列組成，可在亞波長(cháng)厚度和不改變太赫茲電場(chǎng)極化的情況下，實(shí)現對太赫茲載波包絡(luò )相位的消色差可控相移，其對太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位的相移調制深度高達 2π。

相比傳統的太赫茲載波包絡(luò )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(yōu)點(diǎn)，有望成為太赫茲掃描隧道顯微鏡系統的核心部件。

近日，相關(guān)論文以《基于超材料的柔性太赫茲載波環(huán)移相器》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）為題發(fā)表在 Advanced Optical Materials 上，李彤和全保剛分別擔任第一和第二作者，王天武和空天信息創(chuàng )新研究院方廣有研究員擔任共同通訊作者。

▲圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Optical Materials）

審稿人認為：“此研究非常有趣、簡(jiǎn)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(shí)現，為調控太赫茲的載波包絡(luò )相位提供了新的解決方案?！?/span>

建立國際領(lǐng)先的太赫茲科學(xué)實(shí)驗平臺

據介紹，王天武所在的研究院，圍繞制約人類(lèi)利用太赫茲頻譜資源的主要科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸，致力于形成一批引領(lǐng)國際的原創(chuàng )性理論方法和太赫茲核心器件技術(shù)，以建立國際領(lǐng)先的太赫茲科學(xué)實(shí)驗平臺。

他說(shuō)：“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，以太赫茲為激發(fā)源，去激發(fā)探針尖端和樣品之間的間隙，從而產(chǎn)生隧穿電流并進(jìn)行成像。相關(guān)技術(shù)在國內屬于首創(chuàng )，在國際上也處于領(lǐng)先水平?！?/span>

在諸多要克服的困難中，太赫茲載波包絡(luò )相位的調制便是其中之一。入射太赫茲的相位大小對激發(fā)的隧穿電流的幅值、相位等信息影響甚大，是提高設備時(shí)間和空間分辨率必須要解決的重要問(wèn)題之一。

由于設備腔體比較長(cháng)，并且腔體內部為高真空環(huán)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(shí)現，因此需要研發(fā)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(jiǎn)單、但是對太赫茲載波包絡(luò )相位調制效率高的方法和裝置，以便更好地服務(wù)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(lái)制作太赫茲相位調制器。

具體來(lái)說(shuō)，其利用特定的金屬分裂環(huán)諧振器的幾何相位、以及共振相位，來(lái)控制太赫茲脈沖的載波包絡(luò )相位值。之所以選擇金屬分裂環(huán)諧振器作為基本相控單元，是因為在一定條件下，它對太赫茲具有寬譜響應。

當任意方向的線(xiàn)偏振波與諧振器耦合時(shí)，入射電場(chǎng)分量可映射到平行于諧振器對稱(chēng)軸和垂直于諧振器對稱(chēng)軸，借此可以激發(fā)諧振器的對稱(chēng)本征模和反對稱(chēng)本征模。此時(shí)，通過(guò)改變金屬分裂環(huán)諧振器的幾何相位和共振相位，散射場(chǎng)的某一偏振分量的電場(chǎng)相位會(huì )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，導致金屬分裂環(huán)諧振器存在明顯的反射和偏振損耗。為此，課題組引入了一對正交的定向光柵，利用多光束干涉的方式解決了諧振器插入損耗大的問(wèn)題。

隨之而來(lái)的另一難題是，由于正交光柵的存在，導致入射波和透射波之間的電場(chǎng)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(wèn)題很快迎刃而解。

隨后，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(shù)，制備出相關(guān)樣品，并利用太赫茲時(shí)域光譜系統，對所制備的樣品性能進(jìn)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(shí)，研究人員通過(guò)太赫茲時(shí)域光譜測量，清晰觀(guān)察到了太赫茲脈沖的時(shí)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(shí)，驗證了該樣品的魯棒性。

總而言之，該成果為寬帶太赫茲載波包絡(luò )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(chǎng)極化的情況下，利用“超材料”在亞波長(cháng)厚度的尺度上，實(shí)現了針對寬帶太赫茲載波包絡(luò )相位的消色差可控相移。關(guān)于這一部分成果的相關(guān)論文，也已發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》期刊。

（來(lái)源：Advanced Optical Materials）

據介紹，此次芯片能把太赫茲的相位最高移動(dòng)至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韌性等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲掃描隧道顯微鏡系統，以及其他相關(guān)領(lǐng)域有較高的應用價(jià)值。

但是，該芯片目前仍存在一個(gè)缺點(diǎn)，即無(wú)法做到太赫茲載波包絡(luò )相位的連續調制。這是由于，采用的金屬分裂環(huán)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(jīng)確定，無(wú)法再被人為改變。因此，使用過(guò)程中只能通過(guò)加工特定結構的芯片，來(lái)實(shí)現所需相位的調制。

未來(lái)，該團隊打算將當下比較熱門(mén)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(yōu)勢在于光學(xué)性能可被人為改變。同時(shí)，其還將綜合電、光、熱等手段，實(shí)現金屬分裂環(huán)諧振器幾何和共振相位的主動(dòng)控制，從而實(shí)現對太赫茲脈沖的連續載波包絡(luò )相位調制。

此外，課題組也會(huì )繼續優(yōu)化微加工工藝和原料制備流程，進(jìn)一步提升芯片的綜合性能指標，比如器件的低插入損耗、高工作帶寬等，同時(shí)也將降低制造成本，以便后續的產(chǎn)業(yè)化推廣。