▍撰稿：張?zhí)煊睿娮涌萍即髮W(xué)）

圖1：對(duì)稱(chēng)性破缺材料中的太赫茲脈沖發(fā)射

● 對(duì)稱(chēng)性

毫不夸張地說(shuō)，對(duì)稱(chēng)性也許是自然世界運(yùn)行規(guī)律中最重要的一種特性。特別地，在以數(shù)學(xué)和物理學(xué)為代表的眾多學(xué)科和研究方向中，對(duì)稱(chēng)性似乎無(wú)處不在。事實(shí)上，從中小學(xué)時(shí)期開(kāi)始，我們就已經(jīng)大量涉及關(guān)于對(duì)稱(chēng)性的概念，如：坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)性、平移對(duì)稱(chēng)性和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性等。在物理學(xué)中，對(duì)稱(chēng)性是指，當(dāng)某一體系在某些變換下具有數(shù)學(xué)或者物理規(guī)律上的不變性，并且各自滿(mǎn)足相應(yīng)的守恒定律。而在數(shù)學(xué)中，這些對(duì)稱(chēng)性滿(mǎn)足的規(guī)律可以用群論來(lái)描述，如李群和有限群等。

在凝聚態(tài)材料體系中，當(dāng)這些對(duì)稱(chēng)性被打破時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)許多新奇的特性和現(xiàn)象，如磁性、鐵電性和超導(dǎo)電性等。為了研究這些材料體系中的對(duì)稱(chēng)性，人們往往會(huì)利用X射線(xiàn)、中子和電子散射等技術(shù)，來(lái)探測(cè)晶體材料中與晶格、磁性和電荷序相關(guān)的特性。除此之外，非線(xiàn)性光學(xué)手段也是用于探測(cè)對(duì)稱(chēng)性的有效途徑之一。而這里提到的非線(xiàn)性特性，是指材料對(duì)于入射電磁場(chǎng)的二階、三階或者更高階的光學(xué)響應(yīng)。利用這些非線(xiàn)性特性，可以描述那些利用常規(guī)線(xiàn)性手段所無(wú)法觀測(cè)的新奇物理特性。而下面即將提及的太赫茲（terahertz，1 THz = 1012 s?1）發(fā)射光譜技術(shù)就是這類(lèi)方法中的典型代表。

基于以上研究背景，近期，來(lái)自美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陳侯通（Hou-Tong Chen）課題組以“Ultrafast Terahertz Emission from Emerging Symmetry-Broken Materials”為題在Light：Science & Applications發(fā)表綜述文章。

這篇文章系統(tǒng)梳理了近年來(lái)利用太赫茲發(fā)射光譜來(lái)揭示新型材料中基本特性和復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為的相關(guān)研究。其中包括量子材料（如超導(dǎo)體和磁性材料等），以及低維材料（如石墨烯和金屬納米結(jié)構(gòu)等），此外還重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了對(duì)稱(chēng)性在相關(guān)研究中的重要性，以及可以利用材料體系的本征和外部（如人工微納結(jié)構(gòu)等）屬性來(lái)設(shè)計(jì)其相關(guān)特性。

作為一種新興的研究方法，太赫茲發(fā)射光譜可以用于研究新型材料系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)和超快動(dòng)力學(xué)特性，它可以給出很多其它手段無(wú)法揭示的信息。其中，最關(guān)鍵的概念是整流效應(yīng)（Rectification），其給出了如何將工作頻率在光頻率的高頻電磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)換至低頻電磁場(chǎng)。這種行為與電路中將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化至直流信號(hào)有一定的相似性，其中后者可以為電子學(xué)器件和電池供能。而整流過(guò)程的出現(xiàn)正與對(duì)稱(chēng)性破缺緊密相關(guān)，其中相對(duì)常見(jiàn)的一般是空間反演對(duì)稱(chēng)性，除此之外，在磁性系統(tǒng)中時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性也會(huì)出現(xiàn)破缺。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生太赫茲發(fā)射需要材料在空間和/或時(shí)間中具有一定的方向性。因此，如果太赫茲輻射能夠被產(chǎn)生，就能夠得到所研究的材料系統(tǒng)中關(guān)于對(duì)稱(chēng)性的信息。通過(guò)測(cè)量太赫茲發(fā)射信號(hào)對(duì)于入射光偏振、頻率和幅值等參數(shù)的依賴(lài)性，能夠詳細(xì)地得到材料中的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和磁學(xué)等性質(zhì)，以及其中的光和物質(zhì)相互作用。

圖2：基于對(duì)稱(chēng)性破缺材料實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)射光譜的基本原理。

本文中的另一個(gè)主題是關(guān)于材料中本征（如原子晶格等）和外部（如人工結(jié)構(gòu)等）屬性的相互作用。其中，人工結(jié)構(gòu)可能引入新的對(duì)稱(chēng)性，并且進(jìn)一步增強(qiáng)原來(lái)材料本身相對(duì)較弱的太赫茲響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的太赫茲發(fā)射。

陳侯通表示，這篇綜述文章致力于為目前太赫茲發(fā)射相關(guān)研究中的重要材料體系和基本物理機(jī)制進(jìn)行總結(jié)。同時(shí)，也試圖強(qiáng)調(diào)在人工結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，對(duì)材料以及光和物質(zhì)相互作用中對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行設(shè)計(jì)的新機(jī)遇，如等離激元超表面。

本文表明，這種基于新興材料本征、外部以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的相互作用，可能會(huì)激發(fā)人們進(jìn)一步探索更為復(fù)雜多樣的物理性質(zhì)和現(xiàn)象，有望超出現(xiàn)有材料研究的范式。

| 論文信息 |

Pettine, J., Padmanabhan, P., Sirica, N. et al. Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials. Light Sci Appl 12, 133 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01163-w

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