用太赫茲波進行光學計算

Alexey Shuvaev, Andrei Pimenov, Florian Aigner, Georgy Astakhov, Mathias Mühlbauer, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann and Laurens W. Molenkamp

通過導通光學晶體改變柵極電壓可以改變透過拓撲絕緣體薄膜的THz光的偏振方向

今天的計算機，信息是通過電荷處理的。基于固有的物理限制，通過電子晶體管的減少來提高計算機處理速度面臨巨大的挑戰。突破這些限制的一個途經是用光來替代電流。為使此法可行，我們需要有效的操作工具。

光在垂直于傳播方向的許多不同方向振動。但是，偏振光只在一個方向上振動。在一些材料上，應用磁場可以改變透過光的偏振方向。這種現象，即法拉第效應常常產生小角度的旋轉。然而，兩年前通過在磁場下用THz光照射水銀碲化物薄膜我們觀測到了巨大的法拉第旋轉：見圖1.。¹波長為毫米量級的的THz光在等同于2代以后的計算機的時鐘速度頻率產生共振。這項技術不僅限于計算：控制THz光線的輻射在很多領域有著重要的應用,包括機場安全檢測以及生物醫學傳感。然而，通過小型化裝置來改變光的偏振方向很困難。

圖1.在外加磁場下，透過碲化銀（HgTe）薄膜的THz光的偏振方向被旋轉改變。

實驗中我們利用了THz輻射和固態等離子體之間的強互作用。因為這種互作用,在外加磁場作用下左旋和右旋圓極化THz波有著不同的折射率。這種性質可以用來實現基于電子摻雜的InSb晶體的寬帶THz調制器。²而在實際應用中，生產這種設備有兩個問題。第一，由于增強的載流子散射在室溫下在InSb中并不存在巨大的法拉第效應。第二，這種方法需要一個中等的幾百mT的外加磁場的快速調制——這是技術性的挑戰。

實驗中，我們采用了HgTe這種拓撲絕緣體薄膜。³過去幾年里由于發現了拓撲絕緣體的很多性質，包括樣品表面或邊界受保護的導通狀態，拓撲絕緣體引起了人們大量的關注。通過在這種材料上做實驗，一系列不平常的效應被理論預測。^4-7包含了平常的法拉第效應以及異常的克爾旋轉（反射光經歷了巨大的偏振旋轉）。此外，HgTe的應變工程可以抑制3D載流子的擴散效應。未形變時，HgTe是零隙半導體：在主體材料中總有電荷載流子影響拓撲態的觀測。然而形變了的HgTe薄膜，能隙變為有限,從而可以抑制主體載流子。純2維的電子行為因可從形變的樣品中預料，從而可以尋找不平常的電動力學，如巨大的法拉第效應。⁸

為了在恒定磁場下獲得法拉第效應，優選一個能夠提供恒定磁場的永磁體(<1T),我們制作一個透明柵極的設備：見圖2(a)。在這些設備中，HgTe薄膜放置于基片上。一個半透明的RuO2柵極通過Si3N4絕緣體與HgTe活化層隔離。當加了偏置柵極電壓時，這種結構允許光的大部分透過樣品。在電極上加一個中等的電壓可以改變HgTe活化層中的電子等離子體載流子密度（從而改變材料性質）。⁹

圖2.THz輻射的電壓控制。（a）通過柵極電壓控制法拉第旋轉和法拉第橢圓度的實驗裝置圖。一個HgTe薄膜放置在CdTe基片上，用Ru02半導體制作的柵極通過Si3N4絕緣體與HgTe活化層隔離。這種材料保證了在偏置電壓下光的大部分可以透過樣品。（b）規一化的探測信號作為幾何上的柵極電壓(i)與偏振器平行（ii）垂直于偏振器。B:磁場。a.u.:任意單位

當光通過偏振器時，通過與否取決于它的偏振方向。在我們設備中，光束的旋轉透過(因而采用了電壓)決定了光信號是否傳播，從而獲得了晶體管的基本原理。圖2(b)(i)顯示了實驗中觀測到的作為相同偏振方向的入射波傳輸后分量的變化。圖2(b)(ii)展示了在偏振片垂直于入射波的偏振情況下光的分量變化。盡管不可能完全截止光的輻射，垂直信號的30%被抑制。

實驗是在室溫條件下進行的，表明這可以被實際應用。這包括從柵極電壓或者磁場來改變光的偏振態，以及幅度和相位的快速調制。⁹我們相信，我們的技術能實現可以與目前高電子遷移率晶體管媲美的較高的調制速度。

綜上所述，我們已經能夠證明光可以被電調諧。利用磁場下透過HgTe基片上薄膜的THz輻射光，我們實現了對法拉第旋轉和橢圓度的控制。這項技術在未來的光學晶體管可能被實際應用。我們打算通過改變隔離層厚度和采用更高質量的HgTe活化層來進一步提高設備的調制輻度（目前大約幾度/伏）。

Alexey Shuvaev, Andrei Pimenov, Florian Aigner
Vienna University of Technology
Vienna, Austria

Georgy Astakhov, Mathias Mühlbauer, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp
University of Würzburg
Würzburg, Germany

參考文獻：
1. A. M. Shuvaev, G. V. Astakhov, A. Pimenov, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Giant magneto-optical Faraday effect in HgTe thin films in the terahertz spectral range, Phys. Rev. Lett. 106, p. 107404, 2011. doi:10.1103/PhysRevLett.106.107404
2. T. Arikawa, X. Wang, A. A. Belyanin, J. Kono, Giant tunable Faraday effect in a semiconductor magneto-plasma for broadband terahertz polarization optics, Opt. Express 20(17), p. 19484-19492, 2012. doi:10.1364/OE.20.019484
3. M. Z. Hasan, C. L. Kane, Colloquium: topological insulators, Rev. Mod. Phys. 82, p. 3045-3067, 2010. doi:10.1103/RevModPhys.82.3045
4. W.-K. Tse, A. H Macdonald, Giant magneto-optical Kerr effect and universal Faraday effect, Phys. Rev. Lett. 105(5), p. 057401, 2010. doi:10.1103/PhysRevLett.105.057401
5. W.-K. Tse, A. H. MacDonald, Magneto-optical Faraday and Kerr effects in topological insulator films and in other layered quantized Hall systems, Phys. Rev. B 84(20), p. 205327, 2011. doi:10.1103/PhysRevB.84.205327
6. J. Maciejko, X. L. Qi, H. D. Drew, S.-C. Zhang, Topological quantization in units of the fine structure constant, Phys. Rev. Lett. 105(16), p. 166803, 2010. doi:10.1103/PhysRevLett.105.166803
7. G. Tkachov, E. M. Hankiewicz, Anomalous galvanomagnetism, cyclotron resonance, and microwave, Phys. Rev. B 84(3), p. 035405, 2011. doi:10.1103/PhysRevB.84.035405
8. A. M. Shuvaev, G. V. Astakhov, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, A. Pimenov, Terahertz magneto-optical spectroscopy in HgTe thin films, Semicond. Sci. Tech. 27(12), p. 124004, 2012. doi:10.1088/0268-1242/27/12/124004
9. A. Shuvaev, A. Pimenov, G. V. Astakhov, M. Mühlbauer, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Room temperature electrically tunable terahertz Faraday effect, Appl. Phys. Lett. 102(24), p. 241902, 2013. doi:10.1063/1.4811496

來源：SPIE Newsroom； 電子科技大學太赫茲研究中心 四川太赫茲應用研究聯合課題組 馮曉冬 編譯