得益于飛秒激光技術(shù)的發(fā)展與完善,太赫茲(terahertz,THz)光譜學(xué)是THz科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展超快和超完善的領(lǐng)域之一。大多數(shù)凝聚態(tài)物質(zhì)中,其分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、超導(dǎo)能隙、半導(dǎo)體量子阱的子帶間躍遷、磁振子等元激發(fā)能量均位于THz頻段,THz光譜技術(shù)為研究這些元激發(fā)的形成、弛豫動(dòng)力學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)和元激發(fā)粒子的量子調(diào)控等提供了有力的光譜學(xué)方法。據(jù)作者了解,目前幾乎所有的THz光譜學(xué)專著均討論基于THz輻射脈沖的電場(chǎng)與物質(zhì)相的電偶極化間的相互作用,極少討論THz波與磁有序介質(zhì)間的相互作用。從近幾年發(fā)表的研究論文和綜述論文看,有大量的研究工作基于THz輻射脈沖與磁有序介質(zhì)間的相互作用,也即所謂的THz自旋電子學(xué)。這里其實(shí)包括三方面內(nèi)容:一是基于THz輻射脈沖磁場(chǎng)與磁有序介質(zhì)共振和非共振相互作用。THz輻射脈沖磁場(chǎng)與磁有序介質(zhì)的塞曼(Zeeman)轉(zhuǎn)矩,可以誘導(dǎo)自旋波的激發(fā)、自旋極化的調(diào)控,以及利用THz磁光光譜研究磁有序介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁相變過程。值得一提的是,由于THz輻射脈沖磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間約為1ps,這為產(chǎn)生具有亞皮秒的超快磁脈沖提供了新的實(shí)現(xiàn)方案。二是基于THz電場(chǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)磁有序介質(zhì)的自旋波激發(fā)、相干控制和磁相變等。例如,THz電場(chǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)晶體的各向異性場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋波的激發(fā)和調(diào)控;THz電場(chǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的聲子而產(chǎn)生有效場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋極化的激發(fā)和控制;利用THz電場(chǎng)脈沖與磁有序介質(zhì)的逆法拉第(Faraday)效應(yīng),產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng),從而驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的自旋極化及其相變等。三是基于飛秒激光脈沖與磁有序介質(zhì)的相互作用誘導(dǎo)高效THz輻射,其受到THz學(xué)界的高度關(guān)注。這一方面為研制緊湊型、集成化、低價(jià)格和高效率的THz輻射源提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑,同時(shí)也為深入理解和探索超快激光與磁有序相互作用的內(nèi)在機(jī)制提供了一種新的研究方法。展望未來,作為一種新的光譜學(xué)方法,THz光譜學(xué)受到越來越多的學(xué)界和工業(yè)界人員的廣泛關(guān)注。由于作者水平有限,不敢也不可能對(duì)THz研究前景做相關(guān)預(yù)測(cè)。下面就作者個(gè)人理解,僅對(duì)THz光譜學(xué)做幾點(diǎn)展望,希望能起到拋磚引玉的作用。強(qiáng)THz輻射源:產(chǎn)生單周期或少周期強(qiáng)THz相干輻射源一直是THz學(xué)界追求的目標(biāo)。除了自由電子激光器等科學(xué)儀器裝置外,如果能在實(shí)驗(yàn)室中獲得峰值強(qiáng)度為1GV/cm以上的THz輻射源,則可以極大推動(dòng)THz強(qiáng)場(chǎng)物理研究,包括THz輻射脈沖驅(qū)動(dòng)高次諧波、THz輻射脈沖驅(qū)動(dòng)(磁)相變動(dòng)力學(xué),以及強(qiáng)THz非線性光學(xué)等研究。THz高靈敏探測(cè):實(shí)現(xiàn)小型化、低價(jià)格和高效率的THz單光子探測(cè)器是各國(guó)研究人員追求的目標(biāo)。THz單光子探測(cè)器在量子信息和天體物理等領(lǐng)域具有極其重要的意義。目前主要基于超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)THz單光子檢測(cè),如何實(shí)現(xiàn)室溫下THz單光子檢測(cè)仍具有極大的挑戰(zhàn)。THz光子與元激發(fā)粒子強(qiáng)耦合:實(shí)現(xiàn)THz光子與各種元激發(fā)粒子間的強(qiáng)耦合,例如,THz光子與磁振子強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)THz極化磁振子。這在THz光子的量子糾纏態(tài)和THz單光子源制備等方面具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。此外,基于THz的低能性,將THz光譜學(xué)技術(shù)應(yīng)用于拓?fù)淞孔硬牧涎芯�。例如利用THz光譜探索拓?fù)浣^緣體表面態(tài)費(fèi)米面附近電子的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)、拓?fù)浒虢饘?Dirac和Weyl半金屬)費(fèi)米面附近電子的動(dòng)態(tài)輸運(yùn)特性,以及基于THz時(shí)間分辨光譜學(xué)研究拓?fù)鋺B(tài)與非拓?fù)鋺B(tài)相變動(dòng)力學(xué)等。本書重點(diǎn)關(guān)注THz光譜在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。分為THz概述和光譜技術(shù),包括3章內(nèi)容。1章為THz輻射與磁有序介質(zhì)相互作用概述。第2章簡(jiǎn)要介紹了基于光子學(xué)方法THz輻射脈沖的產(chǎn)生和探測(cè)原理,重點(diǎn)介紹了強(qiáng)THz輻射脈沖的實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案。第3章介紹了各種THz光譜技術(shù)(包括THz時(shí)域光譜、THz時(shí)間分辨光譜和THz磁光光譜),以及基于THz光譜的物質(zhì)參數(shù)(如復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)電導(dǎo)率等)的提取。第二部分為本書的重點(diǎn),主要介紹了THz波與磁有序介質(zhì)的相互作用,包括3章內(nèi)容。第4章重點(diǎn)介紹了利用THz時(shí)域光譜研究?jī)A角反鐵磁(RFeO3)中各種自旋模式的激發(fā)、自旋重取向相變,以及自旋波的THz線性相干控制等。第5章介紹了利用THz時(shí)域光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)自旋分辨的電子輸運(yùn)。第6章主要介紹了基于自旋的THz相干輻射源,包括基于超快退磁THz輻射、逆法拉第效應(yīng)的窄帶THz輻射和基于逆自旋霍爾效應(yīng)的高效、寬帶THz輻射。第三部分介紹了THz強(qiáng)場(chǎng)與電子自旋的非線性相互作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自旋波的THz非線性調(diào)控,包括2章內(nèi)容。第7章為自旋波與磁有序介質(zhì)強(qiáng)相互作用概述,包括THz強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)非線性塞曼轉(zhuǎn)矩,THz強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)超快退磁及其動(dòng)力學(xué)過程,THz強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)有效場(chǎng)和THz強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)反鐵磁體系的二次諧波等非線性效應(yīng)。第8章介紹了THz腔結(jié)構(gòu)中的自旋波與THz光子的強(qiáng)相互作用,從經(jīng)典物理和半量子力學(xué)角度介紹THz人工微結(jié)構(gòu)腔中,自旋波與腔模式間的耦合效應(yīng)及其自旋模式的調(diào)控。本書的一部分適用于剛接觸THz光譜的初學(xué)者。第二部分和第三部分適用于本科高年級(jí)和研究生閱讀,也適用于從事THz光譜研究的科技人員閱讀。本書由上海大學(xué)馬國(guó)宏和上海理工大學(xué)金鉆明編著,在本書編寫過程中得到了上海大學(xué)林賢、張順濃、張文杰、國(guó)家嘉、李炬賡、金凱龍、傅吉波、宋邦菊、索鵬、阮舜逸、陳家明等老師和同學(xué)的支持和幫助,在此表示感謝。本書參考和引用的文獻(xiàn)、專著等列入了全書后的參考文獻(xiàn)中,在此謹(jǐn)向有關(guān)作者表示衷心的感謝。本書的成書過程中,得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):11604202, 11674213, 61735010, 61975110)的資助。盡管編寫人員在編著過程中查閱了大量的文獻(xiàn)資料,進(jìn)行了整理、核對(duì)和提煉,但是由于水平所限,本書難免存在疏漏和不足之處,敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。