近日，国内首套自主研制的太赫（hè）兹扫描隧道显微镜系统（tǒng），“诞生”在王天武实验室里，该系统兼顾原子（zǐ）级（埃级）出色的空间分辨（biàn）率（lǜ）以及高于 500 飞（fēi）秒的时间分辨率。

▲图 | 太（tài）赫兹扫描隧道显微镜系统（来源：资料图）

太赫兹，是介于（yú）远红外和微波之（zhī）间的电磁波，具有光（guāng）子能量（liàng）低（dī）、穿透性好等特点，在高速无线通信、光谱学、无损伤成像检测和学科交叉等领（lǐng）域具备广泛应用前景，被誉为“改变未来世界的十（shí）大技术”之一。

简单来看，太赫兹扫描隧道显微镜系（xì）统就是（shì）一个超（chāo）快摄影机，只不过它要观（guān）察和拍摄的（de）对象是分（fèn）子和原子世界，并（bìng）且拍（pāi）摄的帧率在亚皮（pí）秒量级（jí）。对于非线性太赫兹科学来（lái）说，控制太赫兹脉冲的“载波包络相位”，即激光脉冲的载波与包络之间的关系至关重要，特别是用于超快太赫兹扫描隧道显微（wēi）镜时。

太赫兹（zī）载波包络相位移相器（qì）的设计（jì）和实现，在利用太赫兹脉冲控制分子定向、高次谐（xié）波生成、阈上电离、太（tài）赫兹波前整形等领域，均具备潜在应用价值。

（来源：Advanced Optical Materials）

为调控太赫（hè）兹的载波包络相位提供新（xīn）方案

据介绍，王天武在中科院空天信（xìn）息研究院（广州园区）-广东（dōng）大湾区空天信息研究院担任主（zhǔ）任和研究员（yuán）等职务，研究方向为（wéi）太赫兹技术。目前，其主（zhǔ）要负责大（dà）湾（wān）区（qū）研（yán）究院（yuàn）的太赫兹科研队伍建（jiàn）设。

该研究（jiū）要解决的问题在于，常（cháng）规探测手（shǒu）段只能得到静态的原子（zǐ）形貌图像，无法观察物质受到激发，例如经过激光辐照（zhào）后的动态弛豫过程图像，即无法观察到激子的形成、俄歇（xiē）复合、载（zǎi）流子谷间（jiān）散射（shè）等过程（chéng），而（ér）这些机理的研究，对于凝聚（jù）态物理学包括产业化应用都非常重要。

原因在于，这些动力学过程发生的时间尺度，往往（wǎng）都在皮（pí）秒量级，即万（wàn）亿分之一秒的时间，任何普通调控手段均无法达到这一时间量级（jí）。利用飞秒脉冲（chōng）激光技术，能显著提高扫描隧道显（xiǎn）微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）这一扫描探针显微术工具的时间分辨率（lǜ）。

但是，目前仍受到多种因素的（de）限制，比如样品（pǐn）和针尖制备困难（nán）、针尖的电容耦合效应、脉（mò）冲光引起的（de）热膨胀效应等。太赫（hè）兹的脉冲（chōng）宽度位于亚皮秒（miǎo）尺度，其电场分量可被看作一个在很宽范围内、连续可调的交流电流源。

因此，将太赫（hè）兹电（diàn）场脉冲（chōng）与 STM 结合，利用其瞬态电场（chǎng），即可作用于扫描针尖和样品之（zhī）间的空隙，从而产生隧穿电流进行扫描成像，能（néng）同时实现原子级空间分辨（biàn）率（lǜ）和亚皮秒时间（jiān）分辨率。如前所述，太（tài）赫兹扫描隧道显微（wēi）镜系（xì）统好比一（yī）个超快（kuài）摄影机（jī）。

但是，太赫兹电场脉冲和 STM 的实际结合过程，却并非那么简单，中间要攻克诸多难题。其中一个最基础的重要难题，在于太赫兹源的（de）相位调控技术。太赫兹（zī）扫描隧道显（xiǎn）微镜系（xì）统是利用太赫兹激发针（zhēn）尖尖端和样（yàng）品之间的（de）空（kōng）隙，来产生隧穿电流并进行采样。

不同相位太（tài）赫兹（zī）源的电场方向（xiàng）不一样，这样一来所激发的隧穿电流的方向亦（yì）不相同。根据不同样品（pǐn）施加不同相位的太赫（hè）兹源，可以更好（hǎo）地（dì）匹（pǐ）配样品，进而发挥（huī）系统性能优势，借此得到（dào）高质量光谱。

因此，通过简单高效（xiào）的（de）途（tú）径，就能控制太赫兹脉冲的载波包络相位，借此实现对于隧道结中近场太赫兹时间波形的主动控制，同时这（zhè）也是发展超快原子级分辨技术的必备阶（jiē）段。通常，超短脉冲的载波包络相（xiàng）位，必须（xū）通过（guò）反馈技术（shù）来稳定（dìng）。

除少数例子外，比如用双色场激光等离子体产生的太（tài）赫兹（zī）辐射源，大多数商（shāng）业化设备产生的太赫（hè）兹脉冲的载波（bō）包络相位都是锁定的，例如人们常用的光整流技术生成的太赫兹脉冲。

多个（gè）太赫兹偏振（zhèn）元件组成的复杂（zá）装（zhuāng）置，可用于控制太赫兹脉（mò）冲的载波包络相位。然（rán）而，鉴于菲涅耳反射带来的损耗（hào），致使其插入（rù）损耗很（hěn）大，故（gù）无法（fǎ）被广泛应用。

另外，在太赫兹波段，大部分天然材料的色散响应较弱（ruò）、双折射系数（shù）较小，很难（nán）被设（shè）计成相应的载波包络相位控制器件，因此无法用于（yú）具（jù）有宽频（pín）率成分的太赫兹脉冲。

与天然材（cái）料相比，超材料是一种由亚波长结构衍生而来的、具有特殊光学特性的人工（gōng）材料，其对（duì）电磁（cí）波的色散响应和双折射系数，均可进行人为定制（zhì）。虽然超材料技（jì）术发展迅猛。但是，由于近单周期太赫兹脉冲（chōng）的宽带特性，利用超材料（liào）对太赫兹脉冲的载波包（bāo）络相位进行控制，仍是一件难事（shì）。

为解决这一难题，王天武用超材料制备出一款芯片——即柔性太赫兹载波包络移（yí）相（xiàng）器，专门用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。该芯片由不同结构的超材料阵列组成，可在亚波长厚度和不改变太赫兹电场极化的情（qíng）况下，实现对太赫兹载波包络相位的消色差（chà）可控相移，其对太赫兹脉冲的载波包络相位的相移调制深度高达 2π。

相比传统的太赫兹载波包络相位移相器，该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点，有望成为太赫兹扫描（miáo）隧道显微镜系统的核心（xīn）部件。

近日，相关论文以《基于超材料的柔（róu）性太赫兹载波环移相器（qì）》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）为题发表在（zài） Advanced Optical Materials 上，李彤和全保刚分别担任（rèn）第（dì）一和第二作者，王天武和（hé）空天信息创新研究院方广有研究员担任共同通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Advanced Optical Materials）

审稿人（rén）认为（wéi）：“此（cǐ）研究非常有趣、简明（míng）扼要，研究团队（duì）完成了一套（tào）完备的工作体系。该芯片的设（shè）计和（hé）实现，为调控太赫兹的载波包络相位提供了新的解决方案。”

建立（lì）国际（jì）领先的太赫兹科学实验平（píng）台（tái）

据介绍，王天（tiān）武所在的研究院，围绕制约人类利用太赫兹（zī）频谱资源的主要（yào）科学问（wèn）题和技术瓶颈，致力于形成一批引领国际的（de）原创性理论方法和太赫兹核心（xīn）器件（jiàn）技术，以建立国际领先（xiān）的太赫兹科学实验平台。

他说：“太（tài）赫兹扫描隧道显微镜（jìng）是我们院的一大特色，该设备摒弃了此前施加电压的方式（shì），以太赫兹为激发源，去激发探针尖端和样品之间（jiān）的间隙，从而（ér）产生隧穿电流并进行成像。相关技术在国内属于首创（chuàng），在国际上也处于领（lǐng）先水平。”

在诸多要克（kè）服的困难中，太赫兹载波包络相位的调制便是其中之一。入射（shè）太赫（hè）兹的相位大小对激发的隧穿电流的幅值、相位等信息影响甚大，是提高设备时间（jiān）和空间（jiān）分辨（biàn）率必（bì）须要解（jiě）决的重要问题之（zhī）一。

由于设备（bèi）腔体比较（jiào）长，并且腔体（tǐ）内（nèi）部为（wéi）高真空环境，与外界空气是隔绝（jué）的。传统的太赫兹相位（wèi）改（gǎi）变方式比较难以（yǐ）实现，因此需要研发新型的相位调制器件。

而该课题立项的初衷，正是希望找到一（yī）种结构简单、但是对太赫兹载波包络相位调制效率高的方法（fǎ）和装置，以便更好（hǎo）地服务于太赫兹扫描（miáo）隧道显微镜系统。在文献调研的初始阶段，该团队商定使用超材料来制作太赫兹相位调制器。

具体来（lái）说，其利用特定的金（jīn）属分（fèn）裂（liè）环谐振器（qì）的几（jǐ）何（hé）相位、以及共振相位，来控制太赫兹脉冲的（de）载波包（bāo）络相位值。之所以选择（zé）金属分裂环（huán）谐振器作为基本相控单元，是因为在一定条件（jiàn）下，它对太赫兹具有宽谱响应。

当任（rèn）意方（fāng）向的（de）线偏（piān）振波与谐振器耦合（hé）时，入射电场分量（liàng）可映射到平行于谐振器对称（chēng）轴和垂直于谐振器对称轴，借此（cǐ）可以（yǐ）激发谐振（zhèn）器（qì）的对（duì）称本征模和反对称本征模。此时，通过改变金属分裂环谐振器的几（jǐ）何相位（wèi）和共振相位（wèi），散射场（chǎng）的某一偏振分量的电场相位会相应延迟，大小可以轻松覆（fù）盖（gài） 0-2π。

但是，由于存在电偶极子的双向辐射（shè），导致金属分裂（liè）环谐振器存在明显的反射和偏振损耗。为此，课题组引入了一对正（zhèng）交的定向光栅，利用多光束干涉的（de）方（fāng）式解决了谐振器插入损耗大（dà）的（de）问题。

随之而来（lái）的另一难题是，由于正交光栅的（de）存在，导（dǎo）致入射波和透射波之间的电场偏振始终是垂直的，在太赫兹扫描隧道显微镜系统的工作中，这是（shì）不被允（yǔn）许的。好在（zài）样品（pǐn）均是由互易材料制成的，于是这一问题很快迎刃而解。

随后，该团队采用常规（guī）紫外光刻（kè）、电子束沉积以及聚酰亚胺薄（báo）膜上的（de）剥离技术，制备出相关样品，并利用太赫兹时域光谱系统，对所制备的样（yàng）品（pǐn）性能（néng）进行表征。

当入射的太赫兹脉冲，依次被样（yàng）品中不同的微结构阵列调（diào）制时，研究人员通过太赫兹时域光谱测量，清晰观察到了太赫兹脉冲的时间波形的变化，且（qiě）与仿真结果十分吻（wěn）合。此外，课题（tí）组（zǔ）还在广角入射和大样品形变时，验证了该样（yàng）品的鲁棒性。

总（zǒng）而言之，该成果（guǒ）为宽带太赫兹载波包络相位的控制，提供了（le）一种新型解决方案，并（bìng）在不改变太赫兹电场极化的情况（kuàng）下（xià），利用“超材料”在亚波长厚度的尺度上，实现了针（zhēn）对（duì）宽带太赫兹（zī）载波包络（luò）相位的消色差可控相移。关（guān）于这一部分成（chéng）果的相关论文，也已发表在《先进光学材料》期刊。

（来源：Advanced Optical Materials）

据介（jiè）绍，此次芯片能把太赫（hè）兹的相位最高移动至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韧性等优点，在太赫兹扫描隧道显微镜系统，以及（jí）其他相关领域有较高的应用价值。

但是，该芯片目（mù）前仍存（cún）在一个缺点，即无法做到太赫兹载波包络相位的连续调（diào）制。这（zhè）是由于，采用的金属分（fèn）裂环谐（xié）振器是单（dān）次加工（gōng）制成的（de），所能调制的几何相位和共（gòng）振相位已（yǐ）经确定，无法再被人为改变。因此，使用过程中（zhōng）只能通过加工（gōng）特定结（jié）构的芯片，来实现所需相（xiàng）位的调（diào）制。

未来，该团队打（dǎ）算将当下比较热门的二维材料、相变材料、液晶材料等材料集成到芯片中，这些材料的优势在（zài）于光学性能可被人为改变。同时，其还将（jiāng）综合电、光、热（rè）等手段，实现金属分裂环谐振器几何（hé）和共振相位的主动控制，从（cóng）而实现对太赫兹脉冲的连续载波包络相位调制。

此外，课题组也（yě）会继续优（yōu）化微（wēi）加工工艺和（hé）原料制备流程，进一步提升芯片的（de）综合性能指标，比如器件的低插（chā）入损耗、高工作带宽等，同时也将降（jiàng）低制造成本（běn），以便后续的产业化推广。