張 朋,韓 彪,吳 韜,韓修林,吳言寧

(阜陽(yáng)師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,安徽 阜陽(yáng) 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(lái),國(guó)家不斷加大對(duì)高?？茖W(xué)研究和學(xué)科建設(shè)的投入,因此,高校也通過(guò)政府投入不斷完善教學(xué)和科研方面硬件和軟件設(shè)施。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科研能力的重要手段,科研平臺(tái)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用。阜陽(yáng)師范大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)堅(jiān)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(biāo)。本文以阜陽(yáng)師范大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn),將科學(xué)儀器融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),加強(qiáng)教育、科技、人才培養(yǎng)的聯(lián)動(dòng)性,將課程思政元素融入教學(xué)全過(guò)程,探究太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)在材料物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,建立踐行“手腦并舉、知行合一”的實(shí)踐教學(xué)模式,提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)理論課程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)開(kāi)設(shè)材料物理實(shí)驗(yàn)方面的課程,該課程依據(jù)材料類行業(yè)發(fā)展需求,堅(jiān)持立德樹(shù)人,系統(tǒng)掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和材料專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)踐技能。應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容基本上可分為理論教學(xué)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者與專業(yè)課相結(jié)合的課程實(shí)驗(yàn)。該專業(yè)開(kāi)設(shè)材料物理實(shí)驗(yàn)的課程包括材料的制備與測(cè)試的基本物理方法與技術(shù)等內(nèi)容,通過(guò)綜合性、研究式實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握新材料、新工藝、新過(guò)程的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)方法與技能,能在材料、化工、能源和環(huán)保等領(lǐng)域中開(kāi)展科學(xué)研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

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(xué)、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(mèng)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(shí)驗(yàn)課程與課程思政相結(jié)合,將學(xué)科前沿領(lǐng)域科研儀器應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)踐與科研并舉,用科學(xué)家精神涵養(yǎng)大學(xué)生報(bào)國(guó)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(xué)生不僅具有面向社會(huì)需求的實(shí)踐技能,而且強(qiáng)化了學(xué)生使命擔(dān)當(dāng)意識(shí)。在材料物理實(shí)驗(yàn)中,光學(xué)探測(cè)方法一直以來(lái)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(jí)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(xué)和電子學(xué)之間的波段。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是一種新興的無(wú)接觸、無(wú)損傷探測(cè)技術(shù)。太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量的是太赫茲脈沖時(shí)域電場(chǎng)強(qiáng)度,將太赫茲脈沖時(shí)域電場(chǎng)波形進(jìn)行傅里葉變換可以得到太赫茲脈沖頻域的分布,進(jìn)而解析出材料中電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)科研平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注課程前沿?zé)狳c(diǎn),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,從而有利于提高學(xué)生科研素養(yǎng)和綜合能力。

2 太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)工作原理

太赫茲時(shí)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(cè)器。在該系統(tǒng)中利用飛秒激光器,通過(guò)光學(xué)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(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)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(huì)在兩電極間的電場(chǎng)作用下加速。由于低溫生長(zhǎng)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(jí)脈寬的電磁波,即太赫茲波。在該系統(tǒng)中采用太赫茲探測(cè)器,本實(shí)驗(yàn)室中采用的是基于碲化鋅(ZnTe)的電光檢測(cè)。探測(cè)光通過(guò)1/2波片后成為線偏振,線偏振光通過(guò)ZnTe后,利用1/4波片將其變成圓偏振,再通過(guò)偏振棱鏡把圓偏振光分成兩束相等且垂直的分量。在無(wú)太赫茲輻射情況下,兩束光分量是等值的,其光強(qiáng)差為零。若有太赫茲輻射存在,線偏振光通過(guò)ZnTe晶體后變成橢圓偏振,兩個(gè)光偏振分量的光強(qiáng)差就不為零。測(cè)量?jī)蓚€(gè)光偏振分量的光強(qiáng)差所得到的信號(hào)正比于太赫茲電場(chǎng)。因此,通過(guò)該檢測(cè)裝置就能夠?qū)崟r(shí)的記錄太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。系統(tǒng)中的鎖相放大器用來(lái)控制加在GaAs光電導(dǎo)天線上的電壓,同時(shí)把探測(cè)器得到的兩個(gè)偏振光分量轉(zhuǎn)換成所對(duì)應(yīng)的太赫茲電場(chǎng)的值。

圖1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)示意圖

3 太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)的在材料物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

太赫茲時(shí)域光譜測(cè)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(shí)間尺度上自旋動(dòng)力學(xué)過(guò)程,也可以應(yīng)用在應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)材料物理性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

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

利用太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量樣品時(shí),得到的是太赫茲波透過(guò)樣品后的時(shí)域電場(chǎng)強(qiáng)度。那么,根據(jù)得到的太赫茲時(shí)域電場(chǎng)強(qiáng)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(hào)Es(t)和參考信號(hào)Er(t)進(jìn)行傅里葉變換得到太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度頻譜,即Es(ω)和Er(ω)。在頻率空間里,透過(guò)樣品后的太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度和參考信號(hào)的太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)透過(guò)樣品后可以表示為:

圖2 太赫茲波透過(guò)介質(zhì)1和3中無(wú)樣品和有樣品情況時(shí)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(guò)介質(zhì)b時(shí)的透射率:

光在介質(zhì)a中傳播距離為d時(shí)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(hào)的太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度為:

Er(ω)=η(ω)·T13(ω)·Pair(ω,L)·E(ω)(1.2)

那么,樣品對(duì)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(duì)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(guò)太赫茲樣品測(cè)試中的數(shù)據(jù)解析,可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和數(shù)據(jù)分析能力,改變了教師教授、學(xué)生學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式,推動(dòng)以實(shí)踐應(yīng)用為目標(biāo)的師生共同學(xué)習(xí)模式。

3.2 典型樣品的太赫茲時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(fù)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出問(wèn)題,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研分析問(wèn)題,結(jié)合實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題,從而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成。因此,需要開(kāi)展該體系材料的深入研究。

結(jié)合固體物理學(xué)課程分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能,進(jìn)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(duì)較小的氧族尖晶石中,這些體系最大的特點(diǎn)是出現(xiàn)多重簡(jiǎn)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?jǐn)?shù)磁化峰態(tài)。然后,當(dāng)晶格常數(shù)增大,過(guò)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(duì)于該體系而言至今依然很少。例如,在零磁場(chǎng)下,ZnCr2Se4材料呈現(xiàn)出縱向本征螺旋結(jié)構(gòu),外加磁場(chǎng)可誘導(dǎo)出圓錐狀螺旋態(tài)。理論上,8 T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)還有可能引起自旋液晶態(tài),如圖3(a)所示。低磁場(chǎng)及微波波段自旋共振實(shí)驗(yàn)無(wú)法完整揭示其磁結(jié)構(gòu)演化,其進(jìn)一步深究亟待更高磁場(chǎng)、更高波譜范圍磁動(dòng)力學(xué)研究。美國(guó)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(guò)仔細(xì)比較磁場(chǎng)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(gè)新思路。如圖3(b)所示,太赫茲光譜實(shí)驗(yàn)在5～10 T磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)表明,在太赫茲波矢垂直外磁場(chǎng)條件下,其磁共振能量和磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)情況下,8 T以上磁場(chǎng)引起異常劈裂。學(xué)生可以拓展思維通過(guò)理論模型計(jì)算解釋劈裂的物理機(jī)制,從而為探索強(qiáng)磁場(chǎng)下螺旋磁結(jié)構(gòu)自旋動(dòng)力學(xué)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(chǎng)關(guān)系圖

為了進(jìn)一步研究該體系材料的有趣的物理現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)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(jìn)動(dòng)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(guò)飛秒激光脈沖調(diào)控交換磁子,可實(shí)現(xiàn)磁矩在皮秒時(shí)間尺度上的超快反轉(zhuǎn),進(jìn)而為超快磁調(diào)控技術(shù)開(kāi)拓了新途徑。然而,這種亞鐵磁中的磁矩反轉(zhuǎn)機(jī)制尚不清楚,亟待交換共振自旋弛豫過(guò)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(jìn)動(dòng)特性有助于發(fā)展太赫茲旋光器件,彌補(bǔ)該波段偏振光學(xué)元件的匱乏。最近,研究者通過(guò)太赫茲時(shí)域磁光光譜研究了不同磁場(chǎng)下透過(guò)CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)變化,單晶樣品在低溫和高達(dá)8 T磁場(chǎng)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(chǎng)下透過(guò)CoCr2O4樣品的太赫茲脈沖電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)變化,其中(a)為線偏振參考信號(hào),(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(cè)有望應(yīng)用于亞鐵磁材料中的相干磁反轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)研究。然而,強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)下的磁化機(jī)理以及磁光效應(yīng)需進(jìn)一步深入研究,從而有望獲得交換磁子相關(guān)的光學(xué)手征性,進(jìn)一步探究其自旋弛豫和自旋調(diào)控動(dòng)力學(xué)。

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

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以領(lǐng)悟到科學(xué)研究的創(chuàng)新來(lái)源于理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,結(jié)合低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)的極端條件對(duì)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(diǎn),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(xué)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(xué)習(xí)效率和生活質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展離不開(kāi)材料科學(xué)的支撐,社會(huì)的需求對(duì)高校及科研院所人才培養(yǎng)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn),如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)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(shí)域光譜系統(tǒng)應(yīng)用于應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),既可以培養(yǎng)學(xué)生探究科研的興趣,又可以以材料科學(xué)領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的實(shí)名擔(dān)當(dāng),同時(shí)還可以踐行“手腦并舉、知行合一”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,提高實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果。