太赫兹调控的新材料、新器件及关键技术研究

Due to the unique advantages, terahertz (THz) wave gradually become high-profile electromagnetic wave period. With the development of the THz technology and application, how to realize the high efficiency, comprehensive and systematic control of THz wave with become urgently needs to solve the key problem of THz field. Based on many years research experiences of THz sources and devices, the applicant proposes the concept of in this project, from the THz sources (primary controlling) and devices (secondary controlling) plus two aspects of mechanism and system research. The project includes: the controllable efficient THz sources based on coherent spin flow, the leakage model of nonlinear coherent control of THz sources, perovskite/silicon hybrid hetero-junction control, THz nonlinear control based on artificial localized surface plasmons, new coding structure metamaterial THz control, etc. The research results will overcome the existing control technology of oneness, isolation and so on, realize the THz frequency/wavelength, phase, polarization, power/energy, space and time characteristics to adjust and control parameters. On this basis, a programmable intelligent composite control system will be researched under the comprehensive consideration of THz control requirements, THz sources and their characteristics. Through the implementation of this project, it is expected to lay the THz control in our country in terms of theory and technology base, promote the development of THz application technology.

太赫兹(THz)波因具有独特的优势而逐渐成为备受瞩目的电磁波段。随着THz技术及应用的发展，如何实现对THz波的高效、全面系统的调控已成为THz领域急需解决的关键问题。本项目申请人依据多年从事THz源及器件的经验，提出THz源（一级调控）及外加器件（二级调控）的概念，从这两方面进行机制及系统研究。具体包括：基于自旋流相干调控的THz源、基于泄漏模非线性波导相干调控的THz源、硅基钙钛矿型异质结THz调控、人工局域表面等离激元THz非线性调控及新型编码超构材料THz调控等。以上研究可望实现对THz波的频率/波长、相位、偏振、功率/能量、空间及时间特性等参数的调控，克服现有THz调控技术的单一性、孤立性等瓶颈，在此基础上，我们拟从THz调控的需求、THz源及特性的综合考虑，探索可编程的智能化复合调控系统。项目的实施将奠定我国THz波调控方面的理论及技术基础，推动太赫兹技术实用化进程。

目前，太赫兹（THz）科学与技术在基础研究和应用探索方面都取得了明显的进步，但针对太赫兹波的各种高效率、低成本调控技术及结构紧凑的新型调控功能器件的研究却仍然不足，这极大的阻碍了太赫兹科学研究和商用化设备开发的进一步发展。本项目瞄准太赫兹调控的新型材料、器件及关键技术等核心环节，结合最新的理论方法，取得了一些列太赫兹调控领域的重要成果。.团队利用全硅超表面的几何尺寸、空间朝向、对称性等本征参量对太赫兹波响应特性的内在关联，开发了若干种具有多个独立通道或多电磁参数并行调控的太赫兹超表面器件；基于周期光学系统中的连续域束缚态（BIC）、人工局域表面等离激元等近场强局域及增强新机制，提出了一系列的超高品质因子（Q值）太赫兹波调控原理与器件；利用外加物理场与太赫兹波对复合结构-材料超表面的耦合协同作用，开发了几种动态可调的太赫兹器件；引入编码超材料的信息化、数字化思想与方法，提出了几种新型的太赫兹调控技术及器件；利用超表面对太赫兹场的局域增强特性及各类电磁耦合谐振效应与生物组织、细胞等待测物的强相互作用，设计并制备了多种生物传感器，实现了癌细胞种类、浓度及其状态变化的无标记、快速、实时检测新技术；另外，团队研发了一种基于纳米级厚度的铁磁及其异质结构的自旋光电子学太赫兹辐射源和原位调控器件；通过理解钙钛矿结构的反铁磁单晶和能源材料中，太赫兹光子与材料准粒子（磁子，声子，电子等）的相互作用，实现太赫兹辐射的调控；利用超快激光与拓扑绝缘体和半金属的相互作用，揭示拓扑量子态及其非平衡动力学的演化过程，为基于拓扑量子材料的新型太赫兹器件提供有力支撑。.本项目成果将促进太赫兹调控新原理、新技术及新器件的快速发展，对太赫兹技术在高速通信、生物医学、无损检测等诸多领域的进一步应用具有重要的科学技术价值，有利于推动我国太赫兹科学与技术的进步。