近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所計算物理與量子材料研究部徐文課題組與中國工程物理研究院合作，應(yīng)用太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)裝置，開展電子材料的太赫茲動力學(xué)特性研究，相關(guān)研究成果以Picosecond terahertz pump-probe realized from Chinese terahertz free-electron laser為題，發(fā)表在Chinese Physics B上。
電子能量弛豫時間是電子材料的關(guān)鍵物理參數(shù)之一。研究人員利用CTFEL特有的太赫茲脈沖結(jié)構(gòu)(特別是皮秒脈寬微脈沖結(jié)構(gòu))，搭建首創(chuàng)的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”系統(tǒng)(圖1)，基于此系統(tǒng)，測量半導(dǎo)體材料的泵浦-探測特性及電子能量弛豫時間，研究室溫下高遷移率n-GaSb晶體在不同自由電子激光輻照頻率下的動力學(xué)電子特性。研究人員結(jié)合理論模型的擬合(圖2)發(fā)現(xiàn)，在1.6THz(輻照功率為10W)和2.4THz(輻照功率為25W)激光輻照下獲得n-GaSb晶體的電子能量弛豫時間分別為2.92ps和2.32ps，該結(jié)果與應(yīng)用四波混頻技術(shù)得到的實驗結(jié)果一致。
研究進一步發(fā)現(xiàn)，在強太赫茲自由電子激光輻射下，電子-聲子散射誘導(dǎo)的熱電子效應(yīng)或非線性電子響應(yīng)會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料中電子能量弛豫時間的減小，此時電子從輻射激光場獲得能量，通過發(fā)射聲子(或晶格振動)耗散能量。當聲子發(fā)射的能量損失率小于光子吸收的能量增益率時，材料中的電子會被加熱，從而使電子弛豫時間減小。
我國自主研制的首臺太赫茲自由電子激光裝置于2017年底在成都飽和出光并投入運行，標志著我國太赫茲科技已正式步入自由電子激光時代。該研究中基于CTFEL搭建的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”系統(tǒng)與其它超快光電探測技術(shù)相比，在電子和光電子材料研究中具有優(yōu)勢：不涉及光生載流子和相關(guān)激子效應(yīng)，可測量自由電子的動量和能量弛豫動力學(xué)過程;實現(xiàn)單色太赫茲泵浦和探測，無需對測量數(shù)據(jù)進行傅里葉變換來分析實驗結(jié)果;結(jié)合自由電子激光的頻率連續(xù)可調(diào)性，實現(xiàn)對太赫茲泵浦-探測的輻照頻率選擇。研究表明，基于自由電子激光的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”技術(shù)，可為電子和光電子材料的動力學(xué)特性研究提供新的測量方法，拓寬脈沖型太赫茲自由電子激光的應(yīng)用研究領(lǐng)域。
該研究是在CTFEL裝置上取得的首項可公開發(fā)表的應(yīng)用研究成果，得到國家自然科學(xué)基金委員會-中國工程物理研究院聯(lián)合基金(NSAF)的支持。
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