▍撰稿：張?zhí)煊睿娮涌萍即髮W）

圖1：對稱性破缺材料中的太赫茲脈沖發(fā)射

● 對稱性

毫不夸張地說，對稱性也許是自然世界運行規(guī)律中最重要的一種特性。特別地，在以數(shù)學和物理學為代表的眾多學科和研究方向中，對稱性似乎無處不在。事實上，從中小學時期開始，我們就已經(jīng)大量涉及關(guān)于對稱性的概念，如：坐標軸對稱性、平移對稱性和旋轉(zhuǎn)對稱性等。在物理學中，對稱性是指，當某一體系在某些變換下具有數(shù)學或者物理規(guī)律上的不變性，并且各自滿足相應的守恒定律。而在數(shù)學中，這些對稱性滿足的規(guī)律可以用群論來描述，如李群和有限群等。

在凝聚態(tài)材料體系中，當這些對稱性被打破時，往往會出現(xiàn)許多新奇的特性和現(xiàn)象，如磁性、鐵電性和超導電性等。為了研究這些材料體系中的對稱性，人們往往會利用X射線、中子和電子散射等技術(shù)，來探測晶體材料中與晶格、磁性和電荷序相關(guān)的特性。除此之外，非線性光學手段也是用于探測對稱性的有效途徑之一。而這里提到的非線性特性，是指材料對于入射電磁場的二階、三階或者更高階的光學響應。利用這些非線性特性，可以描述那些利用常規(guī)線性手段所無法觀測的新奇物理特性。而下面即將提及的太赫茲（terahertz，1 THz = 1012 s?1）發(fā)射光譜技術(shù)就是這類方法中的典型代表。

基于以上研究背景，近期，來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的陳侯通（Hou-Tong Chen）課題組以“Ultrafast Terahertz Emission from Emerging Symmetry-Broken Materials”為題在Light：Science & Applications發(fā)表綜述文章。

這篇文章系統(tǒng)梳理了近年來利用太赫茲發(fā)射光譜來揭示新型材料中基本特性和復雜動力學行為的相關(guān)研究。其中包括量子材料（如超導體和磁性材料等），以及低維材料（如石墨烯和金屬納米結(jié)構(gòu)等），此外還重點強調(diào)了對稱性在相關(guān)研究中的重要性，以及可以利用材料體系的本征和外部（如人工微納結(jié)構(gòu)等）屬性來設計其相關(guān)特性。

作為一種新興的研究方法，太赫茲發(fā)射光譜可以用于研究新型材料系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)和超快動力學特性，它可以給出很多其它手段無法揭示的信息。其中，最關(guān)鍵的概念是整流效應（Rectification），其給出了如何將工作頻率在光頻率的高頻電磁場下轉(zhuǎn)換至低頻電磁場。這種行為與電路中將交流信號轉(zhuǎn)化至直流信號有一定的相似性，其中后者可以為電子學器件和電池供能。而整流過程的出現(xiàn)正與對稱性破缺緊密相關(guān)，其中相對常見的一般是空間反演對稱性，除此之外，在磁性系統(tǒng)中時間反演對稱性也會出現(xiàn)破缺。

簡單來說，產(chǎn)生太赫茲發(fā)射需要材料在空間和/或時間中具有一定的方向性。因此，如果太赫茲輻射能夠被產(chǎn)生，就能夠得到所研究的材料系統(tǒng)中關(guān)于對稱性的信息。通過測量太赫茲發(fā)射信號對于入射光偏振、頻率和幅值等參數(shù)的依賴性，能夠詳細地得到材料中的結(jié)構(gòu)、電學和磁學等性質(zhì)，以及其中的光和物質(zhì)相互作用。

圖2：基于對稱性破缺材料實現(xiàn)太赫茲發(fā)射光譜的基本原理。

本文中的另一個主題是關(guān)于材料中本征（如原子晶格等）和外部（如人工結(jié)構(gòu)等）屬性的相互作用。其中，人工結(jié)構(gòu)可能引入新的對稱性，并且進一步增強原來材料本身相對較弱的太赫茲響應，實現(xiàn)較強的太赫茲發(fā)射。

陳侯通表示，這篇綜述文章致力于為目前太赫茲發(fā)射相關(guān)研究中的重要材料體系和基本物理機制進行總結(jié)。同時，也試圖強調(diào)在人工結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，對材料以及光和物質(zhì)相互作用中對稱性進行設計的新機遇，如等離激元超表面。

本文表明，這種基于新興材料本征、外部以及復合材料結(jié)構(gòu)中的相互作用，可能會激發(fā)人們進一步探索更為復雜多樣的物理性質(zhì)和現(xiàn)象，有望超出現(xiàn)有材料研究的范式。

| 論文信息 |

Pettine, J., Padmanabhan, P., Sirica, N. et al. Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials. Light Sci Appl 12, 133 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01163-w

閱讀原文