专栏：自旋光电子学太赫兹辐射源的基础与应用 2024(8)
《自旋光电子学太赫兹辐射源的基础与应用》专栏·发刊词
专栏主编：金钻明 （上海理工大学）
专栏编委：聂天晓（北京航空航天大学），陶镇生（复旦大学），温良恭（北京航空航天大学），冯正（中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心），芦伟（天津大学）
太赫兹自旋光电子学是一个崭新的研究领域，它是光电子学、自旋电子学和超快光子学的有机结合。尽管30年前就已经首次观察到铁磁薄膜在皮秒时间尺度上的超快退磁，直到最近，由于多项突破性的基础研究，自旋光电子学太赫兹辐射源才得到快速发展。从纳米级铁磁/重金属异质结的太赫兹产生物理机理研究，发展到宽带、高效和偏振态可调控的太赫兹辐射源器件，不仅有效实现了一种新型的太赫兹辐射源，而且正在拓展小型化、集成化太赫兹光谱系统与应用。
本次专栏吸引了众多专家作者共同致力于自旋光电子学太赫兹辐射源新理论和新材料体系的太赫兹产生与光谱学应用研究。本次专栏内容十分丰富，包括了基于超快热电效应及自旋热电子学效应的太赫兹产生、单层铁磁体中的超快太赫兹辐射研究进展、高分辨太赫兹衰减全反射频域光谱系统、共振隧穿二极管太赫兹探测器与片上天线的匹配技术研究、等效介电模型在太赫兹有线传输材料开发中的应用研究，基于大回旋电子注的高次谐波回旋行波放大器研究等。
在此，我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家、审稿专家，以及积极参与专栏征文活动的所有作者表示衷心的感谢！这一领域的发展还需要更多同仁精诚合作，相互促进，相信经过大家共同的努力，该领域必将迎来新一轮发展。
专栏主编简介：
金钻明，男，特聘教授，博士生导师。作为第一负责人承担了科技部重点研发计划项目1项，国家自然科学基金3项。获上海高校青年东方学者、上海市教委“晨光”计划、上海市“青年科技启明星”计划、国家基金委优秀青年科学基金荣誉。担任《太赫兹科学与电子信息学报》第一届青年编委。主要研究方向为超快激光时域光谱和先进太赫兹光谱、自旋光电子学太赫兹辐射源和调控器件研究。以第一作者和通信作者在《Nature Physics》《Light:Science & Applications》《Laser & Photonics Reviews》《Advanced Functional Materials》出版学术论文50余篇，出版专著《太赫兹光谱在自旋电子学中的应用》，编写教材《激光原理基础与拓展》《光电子技术导论》。
飞秒激光泵浦光电导天线、磁性异质结构、电光晶体、空气等会产生太赫兹脉冲，其产生原理主要基于飞秒激发下载流子、电极化的瞬态变化等非热效应。与此同时，飞秒激光泵浦物质不可避免地会产生超快热效应。近年来，基于超快热电效应以及与自旋相关的超快自旋热电子学效应产生太赫兹波获得越来越多的关注。本文详细介绍了利用塞贝克效应/能斯特效应这两种热电效应，以及自旋塞贝克效应/反常能斯特效应这两种自旋热电子学效应产生太赫兹波的研究进展。超快热电效应及超快自旋热电子学效应已在太赫兹产生方面展现出巨大潜力，有望推动太赫兹源及相关技术的发展。
宽频带太赫兹辐射源在太赫兹科学与技术中有着迫切的实际应用需求，是构建波谱和成像为代表的太赫兹应用系统的核心器件。与常用的商用太赫兹源相比，自旋光电子学太赫兹辐射源具有超宽频谱、固态稳定以及成本低等一系列优点。目前，基于自旋光电子学太赫兹辐射源的理论、材料和器件技术研究尚处于起步阶段。本文主要总结了近年来单层铁磁层的太赫兹产生机理以及太赫兹辐射信号的极性与激发构型之间的关系。通过改变磁场方向、入射激光方向和样品入射方向可有效区分超快退磁、反常霍尔效应和反常能斯特效应对太赫兹辐射特性的贡献，为太赫兹自旋光电子学领域的研究提供参考。
由于水对太赫兹(THz)波具有强烈的吸收，含水样本的太赫兹光谱检测面临重大挑战。为解决太赫兹光谱对含水样本的高灵敏检测问题，本文提出并实验验证了一种太赫兹衰减全反射(ATR)的高分辨频域光谱系统。该系统采用创新式光混频相干检测技术，获得了出色的动态范围和分辨力性能，在0.3~1.2 THz范围内，峰值动态范围超过100 dB，频率分辨力高达100 MHz。创新式的ATR架构有效提升了灵敏度，在对不同浓度α-乳糖水溶液的实验测量中，实现了对水溶液样本的直接、精确定量检测。
高信息传输速率和大带宽容量的太赫兹通信被认为是实现6G的关键技术，这需要高效、稳定和紧凑的太赫兹源和探测器。为提升探测性能，研究了一种共振隧穿二极管(RTD)与缝隙天线片上集成的准光式太赫兹探测器。针对电路的高频损耗和寄生效应问题，采用协同考虑阻抗匹配因子和天线辐射效率的设计准则，设计了0.67 THz的小偏压RTD偏馈式探测器。采用高频结构仿真器(HFSS)和先进设计系统(ADS)软件联合仿真表征其探测性能，当输入功率为-30 dBm时，该探测器在0.67 THz的电流灵敏度达2.349 A/W，相比微波段采用阻抗匹配因子最大的设计准则，灵敏度提升了28.01%。
回旋行波管兼具高功率、宽频带特性，在毫米波高分辨成像雷达、电子对抗等重要军事领域具有广泛的应用前景。基于大回旋电子注的回旋行波放大器可工作于高次谐波状态，大大降低了工作磁场，甚至可实现无超导工作，提高了回旋行波管使用的灵活性和机动性。本文优化设计了一支Ka波段二次谐波大回旋行波管，采用具有介质加载的纵向开槽互作用高频结构有效抑制返波振荡，提高了器件工作的稳定性。利用三维粒子仿真，对大回旋行波管注-波互作用过程进行了模拟。结果表明，在电子注电压为70 kV，电流为6.5 A时，磁场可降低至0.642 T，输出功率达到106.5 kW，带宽为2.10 GHz，最大增益为35 dB。
太赫兹频段作为下一代通信技术的重要备选频段，面临随着载波频段提高而信号衰减急剧增加的挑战。太赫兹波的有线传输技术是解决这一问题的有效手段，而对材料介电性能进行精准调控和优化，开发太赫兹频段高性能有线传输材料成为关键。本文通过聚合物材料改性，利用太赫兹时域光谱系统对复合材料的介电特性进行测试，研究了传统介电常数等效模型在太赫兹频段材料开发中的应用。基于太赫兹频段材料的极化特性和响应机制，提出一种预估太赫兹频段复合材料介电常数和损耗角正切的模型和方法，为开发新型太赫兹有线传输材料及其性能调控提供了科学的模型引导。
