近日，上海大學理學院物理系馬國宏教授團隊在光控超快太赫茲波調制方面取得重要進展，相關研究成果以“Highly efficient ultrafast terahertz modulation enabled by unconventional carrier dynamics in HgTe semimetals”為題發(fā)表在國際知名光學期刊Laser & Photonics Reviews上。

太赫茲技術被普遍認為是未來6G通信、成像與傳感系統(tǒng)的關鍵發(fā)展方向之一。作為其核心器件，高速、低功耗的太赫茲波調制器直接承擔著太赫茲通信與傳感系統(tǒng)中信號調控的重要功能。然而，該領域的發(fā)展仍面臨關鍵挑戰(zhàn)：缺乏理想的材料平臺與有效的主動調控手段。傳統(tǒng)半導體材料(如Si、GaAs、CdTe等)雖具備較高的調制深度，但受限于載流子弛豫壽命，調制速度通常較慢;二維材料(如石墨烯、過渡金屬硫化物)雖具有超快瞬態(tài)響應，但其原子級厚度限制了調制深度;而基于貴金屬(如Au、Ag)構建的異質結構或超表面，大多僅能實現(xiàn)被動調制，且存在器件損耗大、響應遲緩等問題，難以滿足高速太赫茲器件的需求。因此，亟需發(fā)展一種兼具高效太赫茲調制能力與超快載流子弛豫特性，同時結構簡單、易于與現(xiàn)有半導體工藝兼容的新型材料。

理論上，具有小有效質量和長動量散射時間的光載流子對太赫茲電場的吸收更為高效，而無帶隙的能帶結構則有利于光載流子的快速弛豫?；谶@一認識，研究團隊系統(tǒng)篩選了多種材料體系，最終選定半金屬HgTe作為候選材料，并利用光泵浦-太赫茲探測光譜系統(tǒng)，深入研究了HgTe薄膜的光控太赫茲調制特性及其瞬態(tài)光載流子動力學行為。

實驗結果顯示，在室溫條件下，HgTe薄膜對太赫茲波表現(xiàn)出極其靈敏的透射響應：在僅1 μJ/cm2的激發(fā)通量下，調制深度即可達到28%;當激發(fā)通量提高至21 μJ/cm2時，調制深度進一步提升至73%。在5 K低溫條件下，僅需7 μJ/cm2的激發(fā)通量即可實現(xiàn)81%的調制深度。這些數(shù)值在同等實驗條件下均為目前公開報道的單一材料體系中的最高記錄。此外，HgTe的光載流子弛豫壽命僅為14 ps，且基本不隨激發(fā)通量變化，可實現(xiàn)高達70 GHz的調制速度。通過理論分析與數(shù)值模擬，研究揭示了HgTe優(yōu)異的太赫茲調制能力主要源于其半金屬特性，其中輕空穴帶上的載流子在光電導響應中起主導作用。該研究不僅深化了對HgTe中光載流子弛豫機制的理解，也凸顯了HgTe薄膜在低功耗、全光控超快太赫茲開關器件方面的巨大應用潛力。

審核編輯 黃宇