在量子顺电体（Quantum Paraelectrics, QPEs）中，例如SrTiO，原子核零点振动会阻止软极化模的完全软化[1]。这种量子涨落妨碍了QPEs中长程铁电序的形成 [2]。近几十年来，通常利用掺杂和施加应力手段来恢复QPEs中的隐藏铁电相 [3-5]。最近，超快激光技术的发展使得通过强场光脉冲激发QPEs进入瞬态铁电相成为可能 [6]。然而，目前仍然缺乏实验证据，并且有关的具体机理仍在争论中 [7]。例如，虽然利用太赫兹在量子顺电体中诱导瞬态铁电相取得了不错的进展，但在实验上仍然存在一些挑战。首先，虽然在实验中已经观察到了具有长寿命的二次谐波 (Second Harmonic Generation, SHG)，并认为其是瞬态铁电相的标志 [8]，但是铁电软模的动力学过程仍有待研究。其次，晶体中不可避免地会存在缺陷和杂质。例如在钙钛矿型QPEs中，缺陷和杂质携带可以极化附近区域并发展为极性纳米区域（Polar Nanoregions, PNR）的偶极子实体 [9]。这些取向随机的PNRs可以被太赫兹脉冲统一取向，并为太赫兹泵浦SHG探测技术贡献信号，这使得观察固有光诱导的铁电相变得复杂。

2023年，SLAC美国国家加速器实验室Matthias C. Hoffmann团队使用太赫兹泵浦光二次谐波探测光谱技术研究了量子顺电体KTaO，并探讨了在量子顺电体中太赫兹诱导铁电相的问题。与SrTiO不同，KTaO在室温以下直到毫开尔文都不会发生任何的结构相变（见图1(a)），这种特性避免了复杂的声子动力学。该团队通过分析太赫兹诱导的SHG信号，证明了500 kV/cm的太赫兹电场不能在KTaO中产生全局的瞬态铁电相。相反，强场太赫兹在局部极性纳米区域之间驱动了偶极关联性，为时间分辨SHG探测技术提供了20皮秒的长寿命SHG驰豫过程。

图1. (a) KTaO的立方晶格结构和铁电软模；(b) 太赫兹泵浦二次谐波探测实验装置的示意图；(c) 铁电状态下单阱晶格势随软模坐标的示意图；(d)、(e) 随时间变化太赫兹驱动的软模位移和太赫兹诱导的SHG强度；(f) 太赫兹驱动的瞬态铁电相中，铁电势随软模坐标的变化；(g)、(h) 太赫兹驱动的瞬态铁电相中可能的软模位移和太赫兹诱导的SHG信号的示意图 [1]

如图1(a)所示，KTaO中的软模是一个红外活性的声子模式，其频率在50 K以下降至约0.8 THz。因此，太赫兹脉冲可以共振激发产生大幅度的相干软模振荡，从而瞬态地破坏整体晶格的反演对称性，并引入时间相关的二阶极化率。太赫兹泵浦SHG探测实验装置的示意图如图1(b)所示，高达500 kV/cm的单周太赫兹脉冲由LiNbO晶体产生。

图2. (a) 在最大太赫兹场强下温度依赖的时间分辨SHG信号；(b) 10 K温度下，太赫兹场强依赖的时间分辨SHG信号；(c)、(d) 不同温度下太赫兹激发的SHG振荡信号的傅立叶变换； (e) 非振荡SHG信号的单指数拟合[1]

图2(a)显示了不同温度下，太赫兹诱导的SHG强度随延迟时间的变化。当温度在80 K以上时，SHG信号较弱。随着温度的下降，SHG信号强度迅速增加（图2(b)）。此外，在SHG信号中可以观察到明显的振荡。图2(c)和(d)显示了不同太赫兹电场强度下SHG振荡的傅里叶变换。随着泵浦太赫兹强度的增加，SHG信号的振荡和非振荡分量都迅速增强。在减去非振荡分量后，10 K下的SHG信号振荡分量及其傅立叶变换如图3(a)和3(b)所示。随着太赫兹强度的增加，软模发生硬化。图3(c)和3(d)显示了数值模拟和实验数据结果的对比。数值模拟很好地重现了时域SHG振荡信号的波形。

图3. (a) 温度为10 K时不同太赫兹场强下纯SHG振荡信号。最大（100％）太赫兹场强为500 kV/ cm；(b) (a)中SHG振荡信号的傅立叶变换；灰色虚线曲线表示随太赫兹场强增加的铁电软模硬化趋势。 (c)、(d) 不同太赫兹电场强度下的数值模拟结果。(e) 实验重建的铁电软模非谐势与谐振势[1]

利用单指数弛豫函数提取泵浦-探测信号幅度和弛豫时间随温度的变化如图4(a)和4(b)所示。幅度和弛豫时间在60 K附近发生明显的变化，这与KTaO中局部极性结构出现的的温度一致。图4(c)和4(d)展示了太赫兹诱导的SHG信号振幅和弛豫时间随泵浦太赫兹场强度的变化。在40 K时，随着太赫兹电场强度的增加缓慢地线性增长，而对太赫兹电场强度不敏感。SHG振幅的增加不会改变弛豫过程。这意味着40 K时，PNRs类似于不发生相互作用的偶极子实体。相比之下，在10 K时，与太赫兹电场强度之间呈现非线性增长趋势。随着太赫兹电场强度的增加，首先迅速增长，随后逐渐饱和。的迅速增加明显表明在高太赫兹场激发下，PNRs之间表现出明显的偶极关联。

图4. (a), (b) 太赫兹诱导的SHG信号的非震荡分量的幅度和弛豫时间随温度的变化； (c), (d) 太赫兹诱导的和在不同温度下随太赫兹电场强度的变化；(e) KTaO中太赫兹激发的动力学过程的定性相图[1]

Matthias C. Hoffmann团队使用的太赫兹泵浦SHG探测光谱技术论证了将量子铁电体KTaO驱动到瞬态铁电相的可能性。他们的研究方法可以帮助我们进一步理清是否超快脉冲电场可以诱导宏观铁电相这一目前很多研究者关心的问题。同时，也表明了SHG不仅可以探测晶格对称性的变化，而且也能揭示非晶格因素造成的对称性破缺，如由太赫兹诱导的局部极化结构之间的偶极关联，可以引起了长寿命SHG非振荡弛豫。

相关方向的类似研究具有很重要的科学意义，包括以下几点。（1）理解材料的动态相变：超快太赫兹脉冲可以在极短时间内提供强电场，触发材料从非铁电态到铁电态的转变。这一动态过程能够揭示材料中铁电相的成因和相变机制，为探索新的材料相变提供实验依据，尤其是在原子或电子尺度上。（2）揭示非平衡态性质：传统方法难以观测材料在极短时间内的瞬态行为，而超快激发能创造非平衡态，使材料出现特定的电学、磁学、光学等响应。这对理解非平衡态物质和开发新的功能性材料至关重要。（3）研究铁电性与极性畴结构的关系：太赫兹脉冲激发可以控制铁电相中的极性畴结构，使研究者能够更好地理解畴结构与铁电性能之间的关系，探索其在外场作用下的畴动态行为。

研究结果对于将来可能的应用也能起到很好的指导作用，具体的如下。（1）高速数据存储和处理：超快铁电相变具备用于高速数据存储和处理的潜力。铁电材料的极性可以用来表示“0”和“1”，而超快脉冲激发则能实现快速开关，推动高速度、低功耗的数据存储技术发展。（2） 低能耗逻辑和存储器件：利用超快激发可以在短时间内控制材料的极化态，实现低能耗的逻辑和存储操作，这对提高电子器件的能效、减少发热、延长器件寿命具有重要意义。（3）新型铁电光电器件：在铁电材料中，超快相变可以改变其光学性质，促进光开关、光调制等光电器件的开发。尤其在高速通信、光传感领域，可用超快脉冲控制铁电相的光学响应，实现高精度和高速的信号调控。（4）太赫兹开关和频率转换：由于超快太赫兹脉冲可以精确调控铁电相，这一技术还可以用于太赫兹波段的开关器件和频率转换器件的开发，助力太赫兹通信和成像等技术。

因此利用超快太赫兹脉冲激发材料研究瞬态铁电相的产生，不仅能揭示铁电相变和非平衡态的基础物理机制，还为开发新一代高速、低能耗的电子器件、光电器件和太赫兹器件提供了重要的技术方向。这一技术的深入研究有望推动材料科学、电子工程和光电应用的发展。

推介人

齐静波，电子科技大学物理学院，教授。主要研究方向为光（电磁波）与物质相互作用过程及衍生应用。

参考资料

[1] B. Cheng, P. L. Kramer, Z. X. Shen, M. C. Hoffmann, Terahertz-driven locl dipolar correlation in a quantum paraelectric. Phys. Rev. Lett. 130, 126902 (2023). 

[2] K. A. Müller and H. Burkard, SrTi: An intrinsic quantum paraelectric below 4 K. Phys. Rev. B 19, 3593 (1979). 

[3] J. G. Bednorz and K. A. Müller, Sr1-xCaxTiO3: An XY quantum ferroelectric with transition to randomness. Phys. Rev. Lett. 52, 2289 (1984). 

[4] M. Itoh, R. Wang, Y. Inaguma, T. Yamaguchi, Y.-J. Shan, and T. Nakamura, Ferroelectricity induced by oxygen isotope exchange in strontium titanate perovskite. Phys. Rev. Lett. 82, 3540 (1999). 

[5] J. Haeni, P. Irvin, W. Chang, R. Uecker, P. Reiche, Y. L. Li, S. Choudhury, W. Tian, M. E. Hawley, B. Craigo et al., Room-temperature ferroelectricity in strained SrTiO3. Nature (London) 430, 758 (2004). 

[6] A. Subedi, Midinfrared-light-induced ferroelectricity in oxide paraelectrics via nonlinear phononics. Phys. Rev. B 95, 134113 (2017). 

[7] D. Shin, S. Latini, C. Schäfer, S. A. Sato, E. Baldini, U. De Giovannini, H. Hübener, and A. Rubio, Simulating terahertz field-induced ferroelectricity in quantum paraelectric SrTiO3. Phys. Rev. Lett. 129, 167401 (2022). 

[8] X. Li, T. Qiu, J. Zhang, E. Baldini, J. Lu, A. M. Rappe, and K. A. Nelson, Terahertz field–induced ferroelectricity in quantum paraelectric SrTiO3. Science 364, 1079 (2019). [9] G. A. Samara, The relaxational properties of compositionally disordered ABO3 perovskites. J. Phys. Condens. Matter 15, R367 (2003).

       原文标题 : 超快非线性光学技术之六十四 太赫兹驱动的量子顺电体中的局域偶极相关