1.2　強場THz波

雖然THz技術已在航空航天、通信雷達、安全檢查、生物醫療等領域展現出重要應用價值，但要想真正將THz技術成功應用于上述領域，使其發揮出不可替代的作用，關鍵在于進一步突破工作在THz頻段的輻射源、探測器、功能器件所面臨的技術難關，以及提高系統技術的性價比、能耗比、集成化水平等。強場THz波可用于研究工作在該頻段的新材料、新器件，并實現新奇物態調控，激發出更多可能，加快THz相關技術的應用。

1.2.1　強場THz波的定義與特點

強場THz波一般定義為峰值電場強度處于或高于kV/cm量級，相應的磁感應強度處于或高于亞特斯拉量級的THz脈沖。強場THz波具有極強瞬態電場和磁場，可用于自由空間電子加速與調控，可直接激發電子或磁子實現關聯效應、超導效應和磁效應等。圖1-7展示了強場THz波的性質，THz波的光子能量在meV量級，具有極低熱效應，其能量與量子材料內的多種能量尺度匹配，因此能夠實現物相定向操控，還可用于研究非熱生物學效應。THz光場能夠實現模式選擇的聲子調控，通過聲子調控這個新的途徑來實現對電子性能的調控，從而獲得聲子誘導的非平衡量子物態，有望推動量子計算、量子傳感和量子信息處理等領域的重大技術變革。因此，強場THz波可以作為一種獨特的冷光源，為光與物質之間的相互作用開辟一片特殊的領域。

圖1-7　強場THz波性質

1.2.2　強場THz波的應用

在凝聚態物理領域，許多強關聯系統的固有聲子和磁振子的振動頻率處在THz頻段。特定頻率的強場THz波可以激發晶格共振，并誘導產生新的電子結構，發現新物理、新現象，獲得新物態。強場THz波開辟了一個新的研究方向，稱為光量子電子學，面向量子信息處理中的應用。強場THz波還可以調整分子取向，從而調節化學工程中的許多催化反應。強場THz波也被用來實現電子自旋翻轉，實現自旋非線性控制，為未來的超快自旋電子器件研究奠定基礎。

此外，強場THz波與掃描探針技術結合，可在掃描隧道顯微鏡尖端形成隧穿電流，突破THz波的衍射極限，為調控納米級材料物態提供新工具。強場THz波還可以在多個維度加速、壓縮和操縱電子束，為桌面式小型THz加速器和阿秒X射線源的制造提供了可能。目前，強場THz技術取得了許多進展，強場THz波已成為發現新物理、新現象以及進行前沿科學研究的有力工具。圖1-8展示了強場THz波在凝聚態物理中的應用。

圖1-8　強場THz波在凝聚態物理中的應用示意

更具體地，強場THz波和應用系統將為不同領域的創新研究提供前所未有的研究手段，本書最后兩章將重點討論各應用專題實例，包括半導體材料、電子加速與操控等。