極性斯格明子集體動力學的太赫茲激發 | 進展

近年來，強場太赫茲技術在調控超導體、磁性材料與拓撲量子材料等體系的物性方面取得一系列突破，為揭示新奇物理現象、調控材料物性和開發超快功能器件開闢了新路徑。要精準捕捉這些瞬態過程，亟需兼具強場驅動與高信噪比探測性能的定製化實驗平臺。針對這一前沿需求，綜合極端條件實驗裝置「極端條件光譜測量-太赫茲與紅外實驗站」太赫茲光譜單元負責人汪信波副研究員，基於多年在強場太赫茲調控與表徵方面的積累，自主搭建了多套先進的超快泵浦-探測光譜系統，並與北京大學王楠林教授課題組合作，首次將基於桌面激光器的強場太赫茲源與劈裂式超導磁體相結合，構建了可在低温（1.5K）、強磁場（10T）條件下進行原位偏振測量的非線性太赫茲光譜測量系統[Rev. Sci. Instrum. 95, 103007 (2024)]，顯著拓展了大科學裝置的測量能力。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部HX-EX1組汪信波副研究員、雒建林研究員，與清華大學材料學院李千副教授、南策文院士、李敬鋒教授、南京大學劉俊明教授合作，在拓撲鐵電材料的超快動力學研究方面取得重要突破。通過動力學相場模擬，研究團隊發現PbTiO3/SrTiO3超晶格中的極性斯格明子具有一系列低於2THz的集體動力學模式，其頻譜與基於鈮酸鋰產生的太赫茲脈衝高度匹配。依託太赫茲光譜單元發展的太赫茲場致二次諧波（TFISH）技術，團隊利用強場單周期太赫茲脈衝實現了與上述集體模式的共振耦合，從而相干地驅動體系進入一個瞬態的、具有宏觀極化的隱藏極性相，並在4K至470K的超寬溫度範圍內實現穩定調控。更進一步，通過干涉式太赫茲場致二次諧波（iTFISH）技術，成功捕捉到瞬態極化的多重翻轉，並識別出0.2THz與2.1THz兩個特徵激發模式。

該工作系統地闡明瞭拓撲鐵電材料中的宏觀非線性光學響應與微觀集體動力學過程之間的內在聯繫，不僅揭示了一種全新的光場物態調控機制，也表明極性斯格明子等拓撲體系是探索豐富超快功能性質和構築高性能光電子器件的理想平臺。相關成果發表於Nature Physics。該研究工作獲得了國家自然科學基金委基礎科學中心項目、原創探索計劃項目、中央高校青年教師科研創新能力支持項目（U40）和中國科學院等的資助，以及綜合極端條件實驗裝置的支持。

圖：太赫茲脈衝激發下斯格明子的集體動力學模式與瞬態極性相。（a）通過太赫茲共振激發集體振盪模式誘導瞬態極性相示意圖。（b）斯格明子集體振盪模式的動力學相場模擬結果。（c）測試裝置示意圖。（d）瞬態二次諧波響應的理論模型。（e）干涉式太赫茲場致二次諧波（iTFISH）測量結果。（f）集體振盪模式的空間運動模式模擬結果。（g）斯格明子太赫茲動力學的温度穩定性。