張 朋,韓 彪,吳 韜,韓修林,吳言寧

(阜陽師范大學 物理與電子工程學院,安徽 阜陽 236031)

高校作為培養(yǎng)人才和科技創(chuàng)新的主陣地,擁有豐富的科教資源。近年來,國家不斷加大對高?？茖W研究和學科建設(shè)的投入,因此,高校也通過政府投入不斷完善教學和科研方面硬件和軟件設(shè)施。實驗教學作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和科研能力的重要手段,科研平臺在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用。阜陽師范大學應(yīng)用物理學專業(yè)堅持基礎(chǔ)研究面向?qū)W科前沿,應(yīng)用研究立足行業(yè)發(fā)展的宗旨,以培養(yǎng)較高創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才為目標。本文以阜陽師范大學應(yīng)用物理學專業(yè)人才培養(yǎng)目標為基準,將科學儀器融入本科實驗教學,加強教育、科技、人才培養(yǎng)的聯(lián)動性,將課程思政元素融入教學全過程,探究太赫茲時域光譜系統(tǒng)在材料物理實驗教學中的應(yīng)用,建立踐行“手腦并舉、知行合一”的實踐教學模式,提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 應(yīng)用物理學專業(yè)理論課程和實驗教學的特點

應(yīng)用物理學專業(yè)開設(shè)材料物理實驗方面的課程,該課程依據(jù)材料類行業(yè)發(fā)展需求,堅持立德樹人,系統(tǒng)掌握數(shù)學、自然科學和材料專業(yè)基礎(chǔ)知識及實踐技能。應(yīng)用物理學專業(yè)課程的教學內(nèi)容基本上可分為理論教學和課內(nèi)實驗或者與專業(yè)課相結(jié)合的課程實驗。該專業(yè)開設(shè)材料物理實驗的課程包括材料的制備與測試的基本物理方法與技術(shù)等內(nèi)容,通過綜合性、研究式實驗的訓練,培養(yǎng)學生的科研能力。旨在培養(yǎng)學生掌握新材料、新工藝、新過程的研究、開發(fā)和設(shè)計方法與技能,能在材料、化工、能源和環(huán)保等領(lǐng)域中開展科學研究和創(chuàng)新設(shè)計。

材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ),也逐漸成為電子信息、生命科學、冶金制造、能源利用、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素。材料人逐夢前行,突破碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等材料方面卡脖子技術(shù)。將工科實驗課程與課程思政相結(jié)合,將學科前沿領(lǐng)域科研儀器應(yīng)用于專業(yè)實驗教學,實踐與科研并舉,用科學家精神涵養(yǎng)大學生報國情懷,發(fā)展和完善“勞育—思政—專業(yè)”三位一體的人才培養(yǎng)途徑,使得培養(yǎng)的學生不僅具有面向社會需求的實踐技能,而且強化了學生使命擔當意識。在材料物理實驗中,光學探測方法一直以來都是表征材料性能、研究材料性質(zhì)的重要手段。

太赫茲波是指頻率處于1012Hz量級的電磁波,通常是指電磁波譜上位于微波和紅外線之間的電磁波輻射,介于光子學和電子學之間的波段。太赫茲時域光譜技術(shù)是一種新興的無接觸、無損傷探測技術(shù)。太赫茲時域光譜測量的是太赫茲脈沖時域電場強度,將太赫茲脈沖時域電場波形進行傅里葉變換可以得到太赫茲脈沖頻域的分布,進而解析出材料中電學、光學、磁學以及其微結(jié)構(gòu)信息,從而被廣泛地應(yīng)用于太赫茲輻射與物質(zhì)的相互作用的研究中。目前高校大型科研儀器與本科教學實驗相結(jié)合研究較少,不利于科研型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng),通過科研平臺與實驗課程相結(jié)合,引導(dǎo)學生關(guān)注課程前沿熱點,激發(fā)學生學習興趣,從而有利于提高學生科研素養(yǎng)和綜合能力。

2 太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)工作原理

太赫茲時域光譜的系統(tǒng)示意圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括產(chǎn)生激光的飛秒激光系統(tǒng)、發(fā)射太赫茲的太赫茲發(fā)射器以及太赫茲探測器。在該系統(tǒng)中利用飛秒激光器,通過光學脈沖波前傾斜技術(shù),在LiNbO3晶體上產(chǎn)生脈沖能量1.5微焦、峰值電場強度300kV/cm左右的亞皮秒脈寬的太赫茲脈沖。在該系統(tǒng)中采用的太赫茲發(fā)射器為太赫茲光電導(dǎo)天線,另一種是碲化鋅晶體(ZnTe)。太赫茲光電導(dǎo)天線是用低溫生長的GaAs晶片制作光電導(dǎo)天線。飛秒激光照射在兩電極間的GaAs上產(chǎn)生光生載流子。在兩電極間加上電壓,這些光生載流子就會在兩電極間的電場作用下加速。由于低溫生長的GaAs中的載流子壽命很短,被加速的電子很快復(fù)合并輻射出皮秒量級脈寬的電磁波,即太赫茲波。在該系統(tǒng)中采用太赫茲探測器,本實驗室中采用的是基于碲化鋅(ZnTe)的電光檢測。探測光通過1/2波片后成為線偏振,線偏振光通過ZnTe后,利用1/4波片將其變成圓偏振,再通過偏振棱鏡把圓偏振光分成兩束相等且垂直的分量。在無太赫茲輻射情況下,兩束光分量是等值的,其光強差為零。若有太赫茲輻射存在,線偏振光通過ZnTe晶體后變成橢圓偏振,兩個光偏振分量的光強差就不為零。測量兩個光偏振分量的光強差所得到的信號正比于太赫茲電場。因此,通過該檢測裝置就能夠?qū)崟r的記錄太赫茲電場強度的變化。系統(tǒng)中的鎖相放大器用來控制加在GaAs光電導(dǎo)天線上的電壓,同時把探測器得到的兩個偏振光分量轉(zhuǎn)換成所對應(yīng)的太赫茲電場的值。

圖1 太赫茲時域光譜系統(tǒng)示意圖

3 太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)的在材料物理實驗中的應(yīng)用

太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于研究材料在太赫茲頻譜范圍、皮秒時間尺度上自旋動力學過程,也可以應(yīng)用在應(yīng)用物理學專業(yè)材料物理性能測試實驗教學中。

3.1 太赫茲時域光譜中的參數(shù)抽取,培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)分析的能力

利用太赫茲時域光譜測量樣品時,得到的是太赫茲波透過樣品后的時域電場強度。那么,根據(jù)得到的太赫茲時域電場強度抽取出材料的復(fù)折射率、介電函數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率等參數(shù)的方法如下:

首先把得到的樣品信號Es(t)和參考信號Er(t)進行傅里葉變換得到太赫茲電場強度頻譜,即Es(ω)和Er(ω)。在頻率空間里,透過樣品后的太赫茲電場強度和參考信號的太赫茲電場強度的比值就為透射率T(ω)=Es(ω)/Er(ω)。如圖2所示,太赫茲電場透過樣品后可以表示為:

圖2 太赫茲波透過介質(zhì)1和3中無樣品和有樣品情況時的光路示意圖

其中,η(ω)包含所有在介質(zhì)中的反射和透射系數(shù)的常數(shù);

光在介質(zhì)a和介質(zhì)b的界面處的反射率:

從介質(zhì)a透過介質(zhì)b時的透射率:

光在介質(zhì)a中傳播距離為d時的傳播系數(shù):

若忽略太赫茲波在介質(zhì)1和介質(zhì)3中的反射,參考信號的太赫茲電場強度為:

Er(ω)=η(ω)·T13(ω)·Pair(ω,L)·E(ω)(1.2)

那么,樣品對太赫茲波的透射系數(shù)為:

ε1=n2-κ2

(1.4a)

ε2=2nκ

(1.4b)

σ1(ω)=2nκωε0

(1.5a)

σ2(ω)=(ε∞-n2+κ2)ωε0

(1.5b)

公式1.5中ε0為真空中的介電常數(shù),ε∞為高頻介電常數(shù),該常數(shù)可以直接從擬合中得出。

對于薄膜樣品,復(fù)電導(dǎo)率還可以從Tinkham formula公式中得到:

其中,Z0=377Ω為自由空間阻抗;L薄膜樣品厚度;nsub為襯底的折射率。

通過太赫茲樣品測試中的數(shù)據(jù)解析,可以培養(yǎng)學生的實踐操作能力和數(shù)據(jù)分析能力,改變了教師教授、學生學習的傳統(tǒng)教學模式,推動以實踐應(yīng)用為目標的師生共同學習模式。

3.2 典型樣品的太赫茲時域光譜實驗,培養(yǎng)學生實驗創(chuàng)新能力

以ZnCr2Se4、CoCr2O4等為代表的鉻基尖晶石(ACr2X4)磁性材料具有幾何或鍵阻挫,展現(xiàn)出鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁等多種磁有序及磁電耦合效應(yīng)。另外,該體系在一定溫度下具有磁致伸縮、負熱膨脹等物理現(xiàn)象。因而,傳統(tǒng)的鉻基尖晶石體系材料在最近幾年重新受到廣泛關(guān)注。鉻基尖晶石磁阻挫體系涵蓋的方面非常廣泛。學生在實驗過程中,結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出問題,通過文獻調(diào)研分析問題,結(jié)合實驗解決問題,從而促進學生科學思維的形成。因此,需要開展該體系材料的深入研究。

結(jié)合固體物理學課程分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能,進一步探索該體系材料的物理內(nèi)涵。根據(jù)不同組成元素體系,可以有不同的阻挫類型,即幾何阻挫和鍵阻挫。其中,幾何阻挫往往存在晶格常數(shù)相對較小的氧族尖晶石中,這些體系最大的特點是出現(xiàn)多重簡并度基態(tài),即自旋冰、自旋液態(tài)等。此外,還廣泛表現(xiàn)出奇特的分數(shù)磁化峰態(tài)。然后,當晶格常數(shù)增大,過渡到鍵阻挫為主的體系。然而,介于微波和紅外波段之間,即太赫茲波段(0.1～10THz)的自旋共振、自旋弛豫等相關(guān)研究對于該體系而言至今依然很少。例如,在零磁場下,ZnCr2Se4材料呈現(xiàn)出縱向本征螺旋結(jié)構(gòu),外加磁場可誘導(dǎo)出圓錐狀螺旋態(tài)。理論上,8 T以上的強磁場還有可能引起自旋液晶態(tài),如圖3(a)所示。低磁場及微波波段自旋共振實驗無法完整揭示其磁結(jié)構(gòu)演化,其進一步深究亟待更高磁場、更高波譜范圍磁動力學研究。美國研究小組利用太赫茲磁光光譜技術(shù)首次在FeSc2S4材料中觀察到各向異性的太赫茲波段磁共振劈裂,通過仔細比較磁場方向和共振吸收關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了自旋液態(tài)。該工作為阻挫自旋態(tài)的觀察提供了一個新思路。如圖3(b)所示,太赫茲光譜實驗在5～10 T磁場范圍觀察到ZnCr2Se4單晶中的太赫茲波段磁共振,并發(fā)現(xiàn)了類似FeSc2S4的各向異性。初步實驗表明,在太赫茲波矢垂直外磁場條件下,其磁共振能量和磁場強度關(guān)系符合螺旋自旋態(tài)磁共振理論。而在波矢平行外磁場情況下,8 T以上磁場引起異常劈裂。學生可以拓展思維通過理論模型計算解釋劈裂的物理機制,從而為探索強磁場下螺旋磁結(jié)構(gòu)自旋動力學行為及揭示新奇自旋態(tài)提供理論基礎(chǔ)。

圖3 ZnCr2Se4樣品相圖及其磁共振與磁場關(guān)系圖

為了進一步研究該體系材料的有趣的物理現(xiàn)象,培養(yǎng)學生去思考同樣具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoCr2O4亞鐵磁材料在太赫茲波段的特性。該材料磁結(jié)構(gòu)由兩套相反排列的次晶格磁矩組成,二者協(xié)同進動形成交換磁子,能量處于太赫茲波段。最近的研究發(fā)現(xiàn),通過飛秒激光脈沖調(diào)控交換磁子,可實現(xiàn)磁矩在皮秒時間尺度上的超快反轉(zhuǎn),進而為超快磁調(diào)控技術(shù)開拓了新途徑。然而,這種亞鐵磁中的磁矩反轉(zhuǎn)機制尚不清楚,亟待交換共振自旋弛豫過程的深入理解。交換共振一般處于紅外或太赫茲波段,其左手進動特性有助于發(fā)展太赫茲旋光器件,彌補該波段偏振光學元件的匱乏。最近,研究者通過太赫茲時域磁光光譜研究了不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉(zhuǎn)變化,單晶樣品在低溫和高達8 T磁場下的透射光譜,觀察到亞晶格交換磁子共振,并初步觀察到其旋光效應(yīng)如圖4所示。圖4中(a),(b),(c),(d)表示不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉(zhuǎn)變化,其中(a)為線偏振參考信號,(e)和(f)代表亞鐵磁結(jié)構(gòu)材料中磁共振模式,(e)表示鐵磁共振,(f)表示交換磁子共振。這種太赫茲旋光探測有望應(yīng)用于亞鐵磁材料中的相干磁反轉(zhuǎn)動力學研究。然而,強磁場下的出現(xiàn)的新的磁特性現(xiàn)象的理論研究工作很少,CoCr2O4樣品強磁場下的磁化機理以及磁光效應(yīng)需進一步深入研究,從而有望獲得交換磁子相關(guān)的光學手征性,進一步探究其自旋弛豫和自旋調(diào)控動力學。

圖4 不同磁場下透過CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場矢量旋轉(zhuǎn)變化圖

學生通過實驗可以領(lǐng)悟到科學研究的創(chuàng)新來源于理論和實驗的結(jié)合,結(jié)合低溫和強磁場的極端條件對樣品的調(diào)控,以鉻基尖晶石磁阻挫體系產(chǎn)生的新奇物理現(xiàn)象為出發(fā)點,為深入探究新奇自旋態(tài)提供理論解釋,在該課程中獲得的科學思維可將其應(yīng)用在日常生活的許多領(lǐng)域,提高他們的學習效率和生活質(zhì)量。

4 結(jié)語

科學技術(shù)的飛速發(fā)展離不開材料科學的支撐,社會的需求對高校及科研院所人才培養(yǎng)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn),如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的工匠大師是目前高校發(fā)展所需要探究的課題。將太赫茲時域光譜系統(tǒng)應(yīng)用于應(yīng)用物理學專業(yè)的本科實驗教學,既可以培養(yǎng)學生探究科研的興趣,又可以以材料科學領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)激發(fā)學生科技報國的實名擔當,同時還可以踐行“手腦并舉、知行合一”的實驗教學模式,提高實驗課堂教學效果。