强太赫兹激光和强磁场作用下二维电子气系统的基本磁光电物理特性研究

The investigation into physical properties of low-dimensional electron gas systems in the presence of external fields is an important field of basic scientific research. It relates to explore, discover and understand the new effects of quantum physics. In this application, we propose to study theoretically the magneto-optical properties of semiconductor and graphene based two-dimensional electron gases in the presence of intense terahertz laser radiation and quantizing magnetic field. In conjunction with our experimental work to be carried out soon, we intend to study three basic magneto-optical properties such as cyclotron resonance, magneto-optical Franz-Keldysh effect, and optical detection of Hall effect and quantum Hall effect. The project will develop the new theoretical approaches in dealing with electron interactions with intense radiation field and will provide a solid backup to our experimental work.

低维电子气系统在外场作用下的物理特性研究是探索和发现新的量子物理现象并了解其本质原理的重要基础科研领域。本项目拟结合即将在中国科学院强场太赫兹相干磁光电测量系统上展开的实验研究工作，理论研究在强太赫兹脉冲激光和强磁场作用下半导体和石墨烯基二维电子气系统的磁光电物理特性。项目将重点研究相关的三个最基本强场磁光电物理效应，即：回旋共振效应、磁光Franz-Keldysh效应、光探测Hall效应及量子Hall效应。我们将发展和完善非微绕处理强磁场下电子气系统中电子与强光辐照交互作用的含时固体理论，理论研究结合实验和实验发现，探索和研究新的强场量子物理现象和效应，为相关实验研究打下理论基础。鉴于目前国际上开展相关实验和理论研究的国家和机构还不多，该项目将力争在这一新兴科研领域实现重要研究突破并获得原创性研究成果。

项目围绕低维电子气系统的太赫兹（THz）光电、磁光电物理特性开展了相关理论和实验研究。在理论研究方面：1）推导出电子气系统在THz光和磁场共同作用下，在Faraday geometry的磁光电导率Drude-Smith公式，此公式可以应用于计算在存在光诱导电子局域化效应时的纵向、横向磁光电导率的实部和虚部；2）研究了单层MoS2在存在Rashba自旋轨道交互作用时的红外-太赫兹光电特性，预期可应用圆偏振THz光观测到谷电子学系统的谷Hall效应；3）研究了石墨烯量子点在强磁场作用下的光激子特性，首次发现磁场诱导的谷内和谷间光激子态，为应用石墨烯量子点作为红外-太赫兹磁光器件提供了理论依据；4）研究了强磁场和电场作用下磷量子点系统的磁光电物理特性，发现系统存在类似于拓扑绝缘体的体态和边缘态，外加磁场和电场将敏感的调控系统态内和态间磁光电响应特性；5）研究了强电场作用下石墨烯中的太赫兹黑体辐射效应，为将石墨烯应用于电激发宽谱太赫兹光源打下了理论研究基础；等。在实验研究方面：1）应用强磁场下的太赫兹时域光谱测量，研究了双、三层石墨烯系统的磁光Faraday旋转效应，实验测量到横向、纵向磁光电导率的实部和虚部，首次在室温、非回旋共振条件下实验测量到双、三层石墨烯的电子有效质量，并通过电子有效质量推导出三层石墨烯的碳堆垛情况；2）应用太赫兹时域光谱（0.2-1.2 THz）和傅里叶光谱（2.5-6.5 THz）测量，研究了不同衬底（硅、蓝宝石、石英）上单层MoS2的太赫兹光电特性，发现其光电导率的实部和虚部与辐照频率的依赖关系均违背常规Drude光电导公式，通过应用修正后的Drude-Smith公式与实验结果拟合，发现样品存在由于衬底引起的光诱导电子局域化效应，实验测量出单层MoS2在不同衬底上的电子浓度、电子弛豫时间、电子局域化因子（此物理量一般不能通过电输运测量直接获得）随温度的变化关系，为将单层MoS2应用于电子、光电子器件打下了实验研究基础；3）应用于2017年底饱和出光的我国首台太赫兹自由电子激光装置，搭建了首创的“单色皮秒THz泵浦-皮秒探测”系统，并研究了n-GaSb的太赫兹电子动力学特性，实验测量到电子的能量弛豫时间，此先进实验测量系统的建立将为应用国产太赫兹自由电子激光装置开展相关科研工作提供实验平台。项目实施期间共发表研究论文35篇（其中33篇SCI）。