来源：中国科学杂志社

    如果太赫兹发射器不仅能产生太赫兹波，还能像存储器一样被“写入”“读取”和“复位”，那将为未来太赫兹信息技术带来新的可能。

    近期，北京航空航天大学吴晓君教授团队联合中国科学院物理研究所、香港科技大学共同开发出一种非易失相位可编程自旋太赫兹发射器。该器件可通过飞秒激光实现太赫兹相位反转，并通过磁场复位，支持稳定的写入、读取与重置操作，为可编程太赫兹源、编码太赫兹光学和片上太赫兹光电子集成提供了新思路。

    团队设计并制备了 IrMn₃/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/W三层金属异质结构。其中，IrMn₃与Co₂₀Fe₆₀B₂₀界面形成交换偏置，Co₂₀Fe₆₀B₂₀层提供自旋极化，W 层增强自旋-电荷转换，从而实现高效太赫兹辐射。研究表明，当飞秒激光能量密度超过特定阈值时，激光诱导的超快热效应能够调控交换偏置和磁各向异性，使发射器内部自旋极化方向发生反转，进而导致辐射太赫兹波的相位反转。实验获得了清晰的阈值行为，太赫兹相位反转阈值约为 0.78 mJ/cm²。

图1 激光诱导太赫兹相位反转机制。

    为进一步理解相位反转的时间尺度和物理机制，团队开展了时间分辨双泵浦太赫兹实验。结果表明，太赫兹相位切换由飞秒激光诱导的超快热效应触发。实验揭示了~15ps的热门控窗口，说明该器件能够在超快时间尺度上完成相位状态调控。这一发现为理解金属自旋太赫兹异质结构中的光热调控、自旋极化反转和太赫兹相位编码提供了直接证据，也为后续开发高速可编程太赫兹器件奠定了基础。

图2 双泵浦实验揭示太赫兹相位切换的超快热门控机制。

    在器件功能验证方面，团队建立了“高能量激光写入、低能量激光读取、外加磁场复位”的可重构操作模式。高能量飞秒激光脉冲可将器件写入反相太赫兹状态，低能量激光脉冲用于无损读取当前相位状态，而外加磁场则可将器件恢复至初始状态。结果显示，该器件在同一位置实现了30次连续写入-复位循环，相邻太赫兹峰值之间的相位对比度稳定超过142%，表现出良好的可重复性和稳定性。

图3 光写入、太赫兹读取与磁场复位的可逆相位调控。

    除了单点相位切换，团队还进一步展示了空间可编程太赫兹相位图案。通过高能量激光在发射器不同区域写入特定图案，再使用低能量激光逐点读取，研究人员成功获得了像素、方形、圆形和十字形等太赫兹相位图案。实验中，空间图案的信噪比达到53 dB，相位对比度约为160%，证明该平台具备高质量二进制相位编码能力。这意味着自旋太赫兹发射器不仅可以作为辐射源，还可以作为可写入、可读取、可复位的太赫兹信息载体，为片上可编程太赫兹器件、太赫兹编码光学和空间信息处理提供新的实现方式。

图4 空间可编程太赫兹相位图案写入与读取。

    该研究的器件由磁控溅射制备的纳米金属薄膜构成，厚度仅为数纳米，具有结构简单、制备兼容性强和易于图案化等优势。未来，这一技术有望与太赫兹超表面、近场探针、片上光子芯片和集成传感系统结合，发展成为可编程太赫兹源、可重构太赫兹编码器和新型太赫兹信息处理平台，为超快自旋光电子学、太赫兹功能器件和片上可编程光子系统的发展提供了新的方向。

    相关成果近期发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。刘少杰博士为第一作者，吴晓君教授为通信作者，北航国新院为第一标注单位。该工作得到首届中央高校U40等项目支持。