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(jì)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料中電子能量弛豫時(shí)間的減小，此時(shí)電子從輻射激光場獲得能量，通過發(fā)射聲子（或晶格振動(dòng)）耗散能量。當(dāng)聲子發(fā)射的能量損失率小于光子吸收的能量增益率時(shí)，材料中的電子會(huì)被加熱，從而使電子弛豫時(shí)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(yùn)行，標(biāo)志著我國太赫茲科技已正式步入自由電子激光時(shí)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(dòng)量和能量弛豫動(dòng)力學(xué)過程；實(shí)現(xiàn)單色太赫茲泵浦和探測，無需對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；結(jié)合自由電子激光的頻率連續(xù)可調(diào)性，實(shí)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(dòng)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。

該研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國工程物理研究院聯(lián)合基金（NSAF）的支持。

圖1. 基于CTFEL裝置的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”系統(tǒng)光路圖

圖2. 在1.2、1.6和2.4THz自由電子激光輻照下n-GaSb晶體的光透射泵浦-探測特性。粗糙線為原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，平滑線為理論擬合結(jié)果