2024年11月15日，北京大学电子学院前沿论坛第76期成功举办。南京大学电子科学与工程学院金飚兵教授进行了题为“太赫兹波段自旋电子辐射与波束调控”的精彩报告。本次报告由电子学院杜朝海研究员主持，多名师生参与了讲座。
金教授首先介绍了太赫兹自旋电子学和太赫兹波束调控的研究背景。他从太赫兹波的特点出发，阐述了其在凝聚态物理研究和短程大容量通信中的应用。太赫兹自旋电子学作为自旋电子学和太赫兹光子学的交叉学科，为开发更低能耗、更高存储速度和更安全的电子学器件提供了新的研究手段，为信息存储技术的创新与突破提供了契机。另外，太赫兹通信技术凭借其更大的传输带宽，有望成为下一代短程无线通信的关键技术之一，尤其在通信与感知一体化方面展现出了重要的应用潜力。
随后，金教授介绍了自旋电子学在太赫兹波段的一项引人注目的创新成果，即飞秒激光泵浦反铁磁/重金属薄膜异质结，产出超快自旋流。该自旋流从反铁磁薄膜中产生并扩散到重金属层中，依据逆自旋霍尔效应，该自旋流可转化为电荷流，并向由空间辐射出太赫兹波。反铁磁材料中超快自旋电流的产生为高速和高容量自旋电子学存储器件的发展开辟了新的路径。
另外，为了提高铁磁/重金属薄膜异质结形成的太赫兹辐射的强度，获得高强度太赫兹辐射源，金教授团队与中物院团队合作，在自旋源中集成了全介质光子晶体结构，提高自旋源对飞秒激光的吸收率，从而提高自旋电子辐射源的发射功率。实验测量太赫兹峰值电场达到了1 MV/cm。为克服光电晶体在5-8 THz范围内的声子吸收，实验采用空气作为探测介质，从而实现了超过10 THz的超宽带测量。由于自旋源具有双向辐射的特性，通过调节前向和后向辐射的光程差，研究者实现了THz辐射波的相干合成。最终实验结果显示，合成场的场强比前向辐射电场强度提高了约1.5倍。
接下来，金教授介绍了团队在太赫兹可编程超表面方面的研究。传统的相控阵扫描天线存在系统复杂和成本高的问题，而且半导体器件在太赫兹波段性能下降很多。为了克服上述缺点，太赫兹可编程超表面成为实现高效太赫兹波束赋形的重要技术，也是实现电磁波感知与通信一体化的有效手段。金教授和他的团队利用液晶在THz频段的双折射效应，设计了一款电控波束扫描的太赫兹可编程超表面。该超表面由24列可独立操控的单元组成，通过改变液晶层的偏置电压，每个单元可实现180°的相位变化，这使得该结构的相位特征可以通过编码序列进行灵活操控。此外，通过引入交叉结构，单元所在行和列的地址分别由上层和接地层的电压差控制，这使得控制线的数量从2N减少到2N，显著降低了结构控制的复杂性，可以实现大阵列液晶可编程超表面，提高太赫兹天线的扫描覆盖范围。
最后，金教授介绍了一种物理信息加载的多态太赫兹可编程超表面的逆设计方案。为了克服二极管插损大、开关比小和相位调节范围有限的问题，团队提出了一种可编程波束扫描超表面的逆设计方法，该方法可以加载物理信息。研究团队利用修正的耦合模理论发展了一个频域解析公式，并将结果作为物理层结合到残差神经网络中。通过大量数据训练，研究得到了一种高反射率和大相移的超表面。利用收敛速度更快的瓶颈式残差神经网络，该设计实现了液晶超表面的相位变化达到300度。实验结果与模拟结果基本一致，显示出良好的实用性。
在互动环节，现场的老师和同学们踊跃提问，金教授耐心逐一解答。关于超表面未来的应用场景，金教授表示，光学超表面一个主要应用点是平板超透镜，而微波频段在隐身方面有一定的应用前景，但是目前两个方面都存在一些问题，如平板超透镜需要采用微纳加工，成本高且镜面面积有限。共形的隐身超表面的制备成本相对于涂层而言也比较高。他指出，团队在太赫兹频段的物理和通信技术研究已取得初步成果，且仍有广阔的发展空间。针对可编程超表面结构设计的提问，金教授再次强调，利用对液晶的偏压调节介电常数，可以有效操控超表面的相位和波束扫描角度。然而，该结构的响应速度较慢也需特别关注。讲座结束后，电子学院副院长王延辉教授为金教授颁发了北京大学电子学院前沿论坛的纪念牌，并合影留念。
