南开光学所常胜江、范飞教授团队在太赫兹磁光非互易隔离传输与手性操控方面取得新进展-南开大学现代光学研究所

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南开光学所常胜江、范飞教授团队在太赫兹磁光非互易隔离传输与手性操控方面取得新进展

研究背景

太赫兹（Terahertz, THz）是介于微波与红外光波之间的一段尚未完全开发的电磁波段。THz波具有与微波和光波显著不同的特性使得THz技术在6G大容量无线通信、高分辨雷达、新型材料与生物医药的光谱表征、安检成像等重要领域都展现出巨大的应用前景。随着THz功率不断提升、场强增强以及探测灵敏度提高和THz通信技术的发展，高性能THz非互易隔离器已经成为保护THz源和探测器、消除回波噪声、实现多信道隔离和双工通信的关键核心器件，具有迫切的应用需求。非互易传输源于电磁波因传输系统的时间反演对称性破缺而导致的“光路不可逆”，而磁光效应和非线性效应是实现时间反演对称性破缺的主要方式。然而，现有THz磁光隔离器还受限于强磁场、低隔离度、低工作频率、带宽和高插入损耗等瓶颈，同时也缺乏片上THz集成器件的方案。

针对太赫兹磁光功能器件，南开大学现代光学研究所常胜江教授领导的太赫兹功能器件团队开展了十余年的研究，近期在国家自然科学基金重点项目和面上项目（61831012、61971242）等支持下，先后在中科院一区顶尖期刊Advanced Science（IF：17.52）和Laser and Photonics Reviews（IF：10.94）上报道了针对自由空间和片上集成的THz单向传输的两项工作进展，为高性能THz隔离器的实用化迈出重要一步。

成果介绍

1.基于磁光摩尔超表面的太赫兹自旋共轭对称性破缺、非互易手性和单向传输

天然材料手性往往是由结构上的空间不对称性导致的，这种手性产生了圆二象色性和光学活性，但是往往是互易的。磁光材料在施加磁场之下也能带来光学上的手性响应，如圆二象色性和法拉第旋转效应。这种效应是具有非互易性的，但是往往是共轭对称的，也就是说对一对共轭的手性光子，其光学性质关于磁场成对称的形式，从而影响了磁光调节的自由度。

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图1太赫兹磁光摩尔超表面、互易和非互易手性的概念示意图

摩尔电子学是近年来一个新兴的领域，其基本的结构是由两个二维平面材料以一定角度堆叠从而形成摩尔超晶格，在特定角度下，超晶格电子能级中出现平带，这个角度叫做魔角(Magic angle)，在这些特定的角度下有一些新颖的性质，如超导现象和摩尔激元等等。在光学领域中，也存在着光子晶体能带，于是也有人提出了光学摩尔超表面结构。不同于电子学中采用的二维结构，光由于其波长较长，在有限空间上的堆叠也可以实现一些有趣的性质。摩尔光学结构具有手性，并且手性可以通过扭曲角度来调节。

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图2 太赫兹磁光摩尔超表面结构、实验装置、外磁场下魔角分布及自旋共轭对称性破缺的理论计算和实验

为了实现手性光子在磁光系统中的共轭对称性破缺，研究团队提出了磁光摩尔超表面的概念和器件研制方案。利用两个金属超表面形成摩尔图案，打破空间对称性，带来光学上的手性响应。磁场下的InSb带来时间反演对称性的破缺。将两种对称性破缺相结合，理论上得到了共轭对称性破缺的特性。

论文手性通过对称性分析和解析推导，澄清了两个共轭光子自旋态的光学手性和非互易性概念，以及它们与传输系统空间-时间对称性关系间的关系。基于上述机制，通过调节旋转角和磁场，实验上得到了太赫兹手性的主动调控。进一步的，研究团队发现了一个特殊的角度θ_M，在这个角度下，当施加一定磁场时，可以同时实现手性，非互易性和共轭对称性破缺。同时，对于不同自旋态有着不同的非互易性，共轭非对称性也体现在隔离谱上：一个自旋态隔离度增强到48dB，另一个自旋态带宽增强到0.73THz。因此，这种磁光摩尔超表面结构及其时空非对称传输机制在基础物理和太赫兹应用系统中具有很好的潜力。

该研究成果以“Terahertz Spin-Conjugate Symmetry Breaking for Nonreciprocal Chirality and One-Way Transmission Based on Magneto-Optical Moiré Metasurface”为题在线发表在Advanced Science。我所博士生谭知雨为第一作者，范飞和常胜江教授为共同通讯作者。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204916

2. 基于非互易边沿自旋态的可调谐片上太赫兹隔离器

研究团队注意到窄禁带半导体InSb在弱外磁场横向偏置下（InSb中波的传播方向与磁场垂直），会产生横向光子自旋态，它的电场会在传播方向所在平面旋转（而非与传播方向垂直），并与外磁场产生强烈的回旋共振相互作用。磁场或传输方向的改变可以引起横向自旋态电场旋向的非互易翻转，但在InSb体材料内部，这一效应并不能实现单向隔离传输。因此，研究者提出并制备了片上InSb-空气-金属非对称波导结构，将空间不对称性与材料的非对称回旋介电特性结合，以实现THz波传输的时间反演对称性破缺。

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图3 太赫兹片上波导隔离器示意图；非对称色散关系；正反向传输时边沿横向光子自旋态场分布及其电矢量示意图；实验获得的随温度超宽带调谐的太赫兹隔离度谱线

通过研究InSb的热载流子效应及其在外磁场下的回旋共振，推导并仿真该波导结构在不同磁场和温度下的光子能带关系。在无外磁场时，该结构的表面等离子体带隙被激发，并且带隙随温度的增加向高频移动，当温度从80K升高到280K时，传输禁带从0.4THz移动至1.5THz，实现了大范围的禁带调控功能，可应用于宽带调谐范围超过1THz的温控带阻滤波器。当施加外磁场时，横向光子自旋态在不对称界面上激发出非互易横向边缘自旋态，等离子体禁带的在正反向传输上去简并，能带在正反向传输上发生分裂，从而实现了单向传输功能。宽带时域频谱系统和单频太赫兹系统的实验结果表明，该隔离器可以实现20dB以上的隔离效果，插入损耗仅为4dB。更重要的是，它的工作频率可以通过外磁场（0~0.23T）和温度（80K~280K）来控制，实现在0.2~1.5THz频带范围内的超宽带调谐。这种横向自旋态的边沿拓扑结构及其主动操纵机制有助于加深人们对磁光等离子体非互易传输的理解，并且这种THz片上隔离器对宽带可调谐、集成和低损耗太赫兹单向传输器件及其相关应用的发展具有重要意义。

该研究成果以“Tunable On-Chip Terahertz Isolator Based on Nonreciprocal Transverse Edge Spin State of Asymmetric Magneto-Plasmonic Waveguide”为题在线发表在Laser and Photonics Reviews上。我所博士生赵旦为第一作者，范飞教授为通讯作者。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202200509