上海大学马国宏教授团队：拓扑量子材料中的太赫兹辐射特性 | 专题亮点

发布时间：2026-06-20来源：爱光学

导读

上海大学理学院马国宏教授团队受邀在《光学学报（网络版）》“太赫兹光谱学”专题发表题为“拓扑量子材料的太赫兹辐射特性研究进展”的综述文章。

拓扑量子材料凭借奇异的电子关联效应与独特的拓扑能带结构，已成为凝聚态物理的前沿热点；然而，如何将其微观量子物性转化为实用的宏观光电功能，仍是领域内亟待攻克的难题。本综述聚焦于太赫兹辐射这一连接量子物态与器件应用的重要媒介，系统梳理了拓扑量子材料中的太赫兹辐射研究，不仅对理解其内部准粒子与元激发之间的相互作用具有重要意义，也为开发新型太赫兹辐射器件提供了广阔的应用前景。综述介绍了利用飞秒激光激发拓扑量子材料产生太赫兹辐射的实验方法及其背后的物理机制。相关研究不仅深化了对拓扑物态中光-物质相互作用的理解，也为发展高性能、新原理的太赫兹辐射源开辟了新的技术路径。

全文链接：林贤, 索鹏, 金钻明, 尹鑫茂, 马国宏. 拓扑量子材料的太赫兹辐射特性研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(10): 1013006.

PART. 01

研究背景

太赫兹波（0.1-10 THz）作为6G通信与尖端成像的重要载体，其高效辐射源的匮乏长期制约着该频段的应用落地。拓扑量子材料凭借贝里曲率（Berry Curvature）这一动量空间的“等效磁场”，以及手性反常等新奇量子自由度，为突破传统非线性光学材料的响应极限提供了新的可能。特别是飞秒激光诱导下的圆偏振光生伏特效应，可利用动量空间的“有效磁场”在无偏置条件下产生强瞬态电流；而“自旋-动量锁定”特性则开启了自旋电子学太赫兹调控的大门。拓扑量子材料中的太赫兹辐射工作不仅确立了拓扑材料作为“量子光源”的地位，更构建了利用太赫兹波反演强关联体系中拓扑序与对称性破缺的精密探针，实现了器件开发与机理探测的双向闭环。

PART. 02

研究进展

拓扑量子材料中太赫兹辐射展现出的新奇特性，核心在于电子结构特征与传统材料的差异。这些特征直接决定了光与物质相互作用的微观过程，并最终映射到宏观的太赫兹辐射信号上。

拓扑量子材料涵盖拓扑绝缘体、拓扑半金属（狄拉克/外尔半金属等）等多个家族，其共性在于电子能带具有非平庸的拓扑不变量。拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃, Sb₂Te₃）体态为绝缘体，但表面存在受拓扑保护的金属态。这些拓扑表面态具有线性色散（狄拉克锥）和自旋-动量锁定的独特属性：电子的自旋取向与其动量方向严格关联，这为产生高度自旋极化的电荷流奠定了基础。图1展示了利用太赫兹辐射研究拓扑绝缘体中的光电流的典型实验结果，通过太赫兹光谱可以解析出不同机制的贡献。

图1 太赫兹发射光谱研究拓扑绝缘体中的超快非线性光电流。(a)光激发示意图；(b)不同角度和时间延迟下的太赫兹信号；(c)在t=-0.3 ps时QWP角相关的太赫兹振幅；(d)C(t)、L(t)和D(t)随时间的拟合参数

拓扑半金属体态的导带与价带在离散点（狄拉克点、外尔点）或线（节点线）处接触。例如在外尔半金属（如TaAs）中，能带交叉点（外尔点）具有确定的手性（陈数±1），并且其附近的贝里曲率在动量空间中呈“磁单极”式分布。贝里曲率是描述布洛赫电子波函数几何相位的关键物理量，在动量空间中可以等效为一个“有效磁场”。图2展示了三维狄拉克半金属中的太赫兹辐射机制。

图2 Cd₃As₂薄膜与Zn掺杂Cd₃As₂薄膜中太赫兹辐射的机制

上述拓扑电子结构通过两种主要途径影响并主导太赫兹辐射的产生。一种是在光激发下，电子在动量空间中的非平衡分布会受到贝里曲率的影响，产生异常的横向速度，即反常霍尔效应在超快时间尺度上的体现。该过程可直接导致二阶非线性光学效应，特别是CPGE；其微观图像是：对于特定手性（左旋或右旋）的圆偏振光，贝里曲率在k与-k点符号相反，导致电子在这两点间的光学跃迁概率不对称，从而产生一个与光子螺旋度（手性）相关的净直流或瞬态电流；该电流无需外加偏置电压即可产生，是拓扑材料中手性太赫兹波产生的核心物理机制。另一种则是拓扑绝缘体表面态的“自旋-动量锁定”特性，使得圆偏振光可以选择性激发具有特定自旋方向的电子，直接产生自旋极化的超快电荷流。这种将光子角动量（偏振）直接转化为电子自旋与电荷定向输运的能力，是传统材料所不具备的，为实现偏振（尤其是手性）可控的太赫兹辐射提供了理想平台。

拓扑量子材料的太赫兹响应与其晶体对称性紧密耦合。例如，CPGE作为一种二阶非线性效应，要求材料必须打破空间反演对称性。许多拓扑材料（如非中心对称的外尔半金属TaAs家族）天然满足这一条件。而时间反演对称性的破缺（如引入磁性），则会进一步引入诸如非线性反常霍尔效应等新的磁光电流通道，为利用磁场调控太赫兹辐射开辟了道路。因此，分析太赫兹辐射的偏振、角度依赖关系，可以反过来探测材料的内在对称性及其破缺情况，从而实现对拓扑量子态的超快光谱表征。

拓扑量子材料的独特电子结构（贝里曲率、拓扑表面态）通过驱动新颖的非线性光电流机制，从根本上拓展了太赫兹辐射的物理内涵。图3展示了由拓扑量子材料构成的异质结中的太赫兹发射谱及其磁场调控特性。通过量子材料构成的异质结给太赫兹辐射的研究提供了源源不断的素材。

图3 反铁磁/非磁重金属异质结Mn₃Sn/Pt的太赫兹辐射特性。（a）、（b）机制示意图；（c）、（d）不同磁场与入射方向的太赫兹信号

PART. 03

总结与展望

太赫兹辐射技术凭借其对载流子超快动力学及多种集体激发模式的灵敏探测能力，为研究拓扑量子材料中的拓扑特性与强关联效应提供了独特手段。材料的晶体对称性（如空间反演或时间反演对称性是否破缺、是否具有手性结构）是决定主导太赫兹产生机制（如PGE、PDE或PTE）的核心物理因素。同时，拓扑量子材料的非平庸能带结构可激发新颖光电流响应，并往往表现出更高的太赫兹波转换效率。通过进一步耦合磁序、晶体手性等自由度，还能有效调控太赫兹辐射的强度、偏振与手性，为太赫兹源的主动操控提供多样化途径。然而，该领域仍存在诸多有待深入探索的方向，例如在重费米子体系、莫特绝缘体、复杂异质结、磁性拓扑绝缘体及扭角二维拓扑材料等尚未充分探索的体系中，其太赫兹辐射行为的研究有望深化关联效应与拓扑性质交织的物理理解。

在应用层面，部分拓扑量子材料已展现出强手性太赫兹波发射能力，为通过光场调控材料物性、诱导非平衡电子相及设计新型光电器件开辟了新途径。

综上，太赫兹辐射技术以其直接探测并调控量子材料微观自由度的独特优势，成为连接拓扑物态研究与先进太赫兹应用的重要桥梁。未来，该技术必将在揭示量子材料新现象、开发新型光电器件方面持续发挥关键作用。

作者简介

第一作者简介

林贤，博士在读，上海大学实验师。主要研究领域：超快光子学、太赫兹光子学、太赫兹自旋电子学、椭圆偏振光谱、光与物质相互作用超快动力学过程。

通信作者简介

马国宏，上海大学教授、博士生导师。2006年度上海市“浦江学者”，2008年上海市“东方学者”特聘教授，2017年获上海大学第五届“心目中好导师”称号。长期从事超快光子学、太赫兹光子学、太赫兹自旋电子学、宏观量子态光学激发与调控。以超快激光脉冲为主要实验手段，探索光与物质相互作用的超快过程及其调控机制，为开发超快光子学的原理型器件，包括远红外（太赫兹）相干辐射源，超快光开关和电子自旋的超快光学操纵等提供理论基础和实现方案。在Science、Science Advances、Nature Communications、Physical Review Letters、Photonics Research 等国际学术期刊上发表论文200余篇，受邀在国内国际学术会议上作报告50次。