▍撰稿：張天宇（電子科技大學）

圖1：對稱性破缺材料中的太赫茲脈沖發射

● 對稱性

毫不夸張地說，對稱性也許是自然世界運行規律中最重要的一種特性。特別地，在以數學和物理學為代表的眾多學科和研究方向中，對稱性似乎無處不在。事實上，從中小學時期開始，我們就已經大量涉及關于對稱性的概念，如：坐標軸對稱性、平移對稱性和旋轉對稱性等。在物理學中，對稱性是指，當某一體系在某些變換下具有數學或者物理規律上的不變性，并且各自滿足相應的守恒定律。而在數學中，這些對稱性滿足的規律可以用群論來描述，如李群和有限群等。

在凝聚態材料體系中，當這些對稱性被打破時，往往會出現許多新奇的特性和現象，如磁性、鐵電性和超導電性等。為了研究這些材料體系中的對稱性，人們往往會利用X射線、中子和電子散射等技術，來探測晶體材料中與晶格、磁性和電荷序相關的特性。除此之外，非線性光學手段也是用于探測對稱性的有效途徑之一。而這里提到的非線性特性，是指材料對于入射電磁場的二階、三階或者更高階的光學響應。利用這些非線性特性，可以描述那些利用常規線性手段所無法觀測的新奇物理特性。而下面即將提及的太赫茲（terahertz，1 THz = 1012 s?1）發射光譜技術就是這類方法中的典型代表。

基于以上研究背景，近期，來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的陳侯通（Hou-Tong Chen）課題組以“Ultrafast Terahertz Emission from Emerging Symmetry-Broken Materials”為題在Light：Science & Applications發表綜述文章。

這篇文章系統梳理了近年來利用太赫茲發射光譜來揭示新型材料中基本特性和復雜動力學行為的相關研究。其中包括量子材料（如超導體和磁性材料等），以及低維材料（如石墨烯和金屬納米結構等），此外還重點強調了對稱性在相關研究中的重要性，以及可以利用材料體系的本征和外部（如人工微納結構等）屬性來設計其相關特性。

作為一種新興的研究方法，太赫茲發射光譜可以用于研究新型材料系統中的穩態和超快動力學特性，它可以給出很多其它手段無法揭示的信息。其中，最關鍵的概念是整流效應（Rectification），其給出了如何將工作頻率在光頻率的高頻電磁場下轉換至低頻電磁場。這種行為與電路中將交流信號轉化至直流信號有一定的相似性，其中后者可以為電子學器件和電池供能。而整流過程的出現正與對稱性破缺緊密相關，其中相對常見的一般是空間反演對稱性，除此之外，在磁性系統中時間反演對稱性也會出現破缺。

簡單來說，產生太赫茲發射需要材料在空間和/或時間中具有一定的方向性。因此，如果太赫茲輻射能夠被產生，就能夠得到所研究的材料系統中關于對稱性的信息。通過測量太赫茲發射信號對于入射光偏振、頻率和幅值等參數的依賴性，能夠詳細地得到材料中的結構、電學和磁學等性質，以及其中的光和物質相互作用。

圖2：基于對稱性破缺材料實現太赫茲發射光譜的基本原理。

本文中的另一個主題是關于材料中本征（如原子晶格等）和外部（如人工結構等）屬性的相互作用。其中，人工結構可能引入新的對稱性，并且進一步增強原來材料本身相對較弱的太赫茲響應，實現較強的太赫茲發射。

陳侯通表示，這篇綜述文章致力于為目前太赫茲發射相關研究中的重要材料體系和基本物理機制進行總結。同時，也試圖強調在人工結構系統中，對材料以及光和物質相互作用中對稱性進行設計的新機遇，如等離激元超表面。

本文表明，這種基于新興材料本征、外部以及復合材料結構中的相互作用，可能會激發人們進一步探索更為復雜多樣的物理性質和現象，有望超出現有材料研究的范式。

| 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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