得益于飛秒激光技術(shù)的發(fā)展與完善,太赫茲(terahertz,THz)光譜學是THz科學與技術(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,其分子的振動和轉(zhuǎn)動能級、超導能隙、半導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、弛豫動力學、相變動力學和元激發(fā)粒子的量子調(diào)控等提供了有力的光譜學方法。據(jù)作者了解,目前幾乎所有的THz光譜學專著均討論基于THz輻射脈沖的電場與物質(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。這里其實包括三方面內(nèi)容:一是基于THz輻射脈沖磁場與磁有序介質(zhì)共振和非共振相互作用。THz輻射脈沖磁場與磁有序介質(zhì)的塞曼(Zeeman)轉(zhuǎn)矩,可以誘導自旋波的激發(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)的動態(tài)磁相變過程。值得一提的是,由于THz輻射脈沖磁場持續(xù)時間約為1ps,這為產(chǎn)生具有亞皮秒的超快磁脈沖提供了新的實現(xiàn)方案。二是基于THz電場脈沖驅(qū)動磁有序介質(zhì)的自旋波激發(fā)、相干控制和磁相變等。例如,THz電場脈沖驅(qū)動晶體的各向異性場實現(xiàn)對自旋波的激發(fā)和調(diào)控;THz電場脈沖驅(qū)動介質(zhì)的聲子而產(chǎn)生有效場實現(xiàn)對自旋極化的激發(fā)和控制;利用THz電場脈沖與磁有序介質(zhì)的逆法拉第(Faraday)效應(yīng),產(chǎn)生瞬態(tài)磁場,從而驅(qū)動介質(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)的相互作用誘導高效THz輻射,其受到THz學界的高度關(guān)注。這一方面為研制緊湊型、集成化、低價格和高效率的THz輻射源提供了新的實現(xiàn)途徑,同時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方法,THz光譜學受到越來越多的學界和工業(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THz研究前景做相關(guān)預(yù)測。下面就作者個人理解,僅對THz光譜學做幾點展望,希望能起到拋磚引玉的作用。強THz輻射源:產(chǎn)生單周期或少周期強THz相干輻射源一直是THz學界追求的目標。除了自由電子激光器等科學儀器裝置外,如果能在實驗室中獲得峰值強度為1GV/cm以上的THz輻射源,則可以極大推動THz強場物理研究,包括THz輻射脈沖驅(qū)動高次諧波、THz輻射脈沖驅(qū)動(磁)相變動力學,以及強THz非線性光學等研究。THz高靈敏探測:實現(xiàn)小型化、低價格和高效率的THz單光子探測器是各國研究人員追求的目標。THz單光子探測器在量子信息和天體物理等領(lǐng)域具有極其重要的意義。目前主要基于超導異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)THz單光子檢測,如何實現(xiàn)室溫下THz單光子檢測仍具有極大的挑戰(zhàn)。THz光子與元激發(fā)粒子強耦合:實現(xiàn)THz光子與各種元激發(fā)粒子間的強耦合,例如,THz光子與磁振子強耦合實現(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價值。此外,基于THz的低能性,將THz光譜學技術(shù)應(yīng)用于拓撲量子材料研究。例如利用THz光譜探索拓撲絕緣體表面態(tài)費米面附近電子的輸運動力學、拓撲半金屬(Dirac和Weyl半金屬)費米面附近電子的動態(tài)輸運特性,以及基于THz時間分辨光譜學研究拓撲態(tài)與非拓撲態(tài)相變動力學等。本書重點關(guān)注THz光譜在自旋電子學中的應(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章簡要介紹了基于光子學方法THz輻射脈沖的產(chǎn)生和探測原理,重點介紹了強THz輻射脈沖的實現(xiàn)原理和實驗方案。第3章介紹了各種THz光譜技術(shù)(包括THz時域光譜、THz時間分辨光譜和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)磁導率和復(fù)電導率等)的提取。第二部分為本書的重點,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章重點介紹了利用THz時域光譜研究傾角反鐵磁(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時域光譜技術(shù)實現(xiàn)自旋分辨的電子輸運。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強場與電子自旋的非線性相互作用,進而實現(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)強相互作用概述,包括THz強磁場誘導非線性塞曼轉(zhuǎn)矩,THz強場驅(qū)動超快退磁及其動力學過程,THz強場驅(qū)動有效場和THz強場驅(qū)動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光子的強相互作用,從經(jīng)典物理和半量子力學角度介紹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光譜的初學者。第二部分和第三部分適用于本科高年級和研究生閱讀,也適用于從事THz光譜研究的科技人員閱讀。本書由上海大學馬國宏和上海理工大學金鉆明編著,在本書編寫過程中得到了上海大學林賢、張順濃、張文杰、國家嘉、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的支持和幫助,在此表示感謝。本書參考和引用的文獻、專著等列入了全書后的參考文獻中,在此謹向有關(guān)作者表示衷心的感謝。本書的成書過程中,得到了國家自然科學基金項目(批準號: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資料,進行了整理、核對和提煉,但是由于水平所限,本書難免存在疏漏和不足之處,敬請廣大讀者批評指正。