自旋电子学：物理学家开发微型太赫兹源

德国哈雷-维滕贝格大学和柏林自由大学的研究人员借助逆自旋霍尔效应通过光学方式，开发了一种新的、简单的方法来产生太赫兹辐射。相关研究发表在《ACS Applied Nano Materials》上。

太赫兹 (THz) 电磁辐射可用于从通信到材料检测的许多应用，然而太赫兹辐射的产生在技术上仍然具有挑战性，而将自由空间太赫兹光束转向感兴趣的样品需要大量的红外和太赫兹光学元件。迄今为止，大多数固态太赫兹发射器都是基于透明的非线性光学晶体或半导体，在半导体中，光生载流子通过外加直流偏置场加速。

为了减少太赫兹装置的占用空间并实现芯片实验室应用，需要更高程度的太赫兹源集成。在这方面，脉冲电源引起了广泛兴趣，其中上升时间短至 10 ps 且峰值幅度为 1 × 108 A cm^-2 的电流密度是可能的。对于更短的脉冲，Auston 开关（偏置半导体结构) 或非线性光学晶体 (如 LiNbO3 波导) 可以使用。这些电光结构再次由飞秒激光脉冲驱动并产生（亚）皮秒电流突发，从而产生片上太赫兹电压脉冲。这种源需要半导体衬底，并且它们的带宽通常限制在大约 2 THz。THz 发射器与金属波导结构的直接组合是非常可取的，因为它们允许将它们的电场和磁场限制在衍射极限之外纳米长度尺度。

另一方面，用于产生太赫兹脉冲的薄金属层更容易与任何材料结合，并且不会因太赫兹吸收而受到光谱发射间隙的影响。 由于太赫兹源可以连接到金属波导结构，辐射是容易聚焦到亚波长尺度。光激发铁磁 Ni 和 Fe 薄膜的太赫兹发射归因于超快退磁，即激发样品区域的磁偶极矩降低。

研究人员已经在金属磁性双层如 Fe/Pt 中发现了第二种非常不同的机制。在这里，光致自旋输运以及自旋电荷转换导致了具有相当大幅度和带宽的太赫兹发射。 目前的理解状态如下：飞秒光泵浦脉冲触发来自铁磁体的超快自旋输运（ FM) 层进入相邻的非磁性金属 (NM) 层。由于逆自旋霍尔效应 (ISHE)，注入的自旋电流部分转换为横向（面内）电荷电流，从而导致发射太赫兹电磁脉冲，当由飞秒激光脉冲驱动时，Fe /Pt 双层或仅 5 nm 厚的 W/Fe/Pt 三层可以提供超过标准半导体 THz 发射器（例如 ZnTe 和 GaP）产生的太赫兹场振幅。

图注：新型微型太赫兹源。

研究人员研究了自旋电子太赫兹发射器 (STE) 的（亚）太赫兹电流脉冲发射，这些发射器能直接集成到芯片上的射频 (RF) 波导中。他们实验使用来自放大 Yb:KGW 飞秒激光系统（1030 nm，300 fs，重复率 99.6 kHz）的光脉冲来加热自旋电子学器件中超快自旋输运层（FM）/非磁性金属层（NM）双层的电子系统。在样品表面之前，每个激光脉冲的能量约为 2.5 μJ，光束直径为 700 μm（半高全宽），导致入射光强度约为 2.2 GW cm-2。结果，这种新型的片上自旋电子学器件中，FM/NM双层膜产生具有大峰值振幅的（亚）太赫兹单极性电流和电压脉冲，可作为具有太赫兹带宽的电磁场源。太赫兹电流的极性可以通过FM层的磁化方向来控制。太赫兹场为平面波导结构馈电，透射瞬态由快速取样示波器检测。

FM/NM 双层的电子系统的制造：在超高真空系统中，在 MgO(001) 衬底上，以 4 × 10−3 mbar 的基本压力，通过直流磁控溅射在氩气气氛中制备了 FM/NM 双层堆叠。 FM 层使用 5 nm 的 Ni80Fe20，而 NM 层由 5 nm 的 Pt、Ta、W、Cu 或 Au 制成。双层结构由电子束光刻、磁控溅射和剥离步骤定义。在第二个热蒸发和剥离金属化步骤中，定义了连接 FM/NM 双层的 Au 波导。 Au 波导和 FM/NM 双层之间的重叠为 100 μm，总 FM/NM 双层厚度低于趋肤深度，导致泵浦光的 Fabry-Perot 型反射，因此，几乎与厚度无关的吸光度约为 50%。

尽管使用的脉冲激光器具有不同的参数，但由于以下原因，它们仍应触发非常相似的自旋动力学：(i) 使用的波长对 THz 电流产生的影响非常小 和 (ii) 使用的泵浦脉冲能量两者都完美地处于线性状态。由于电测量的时间分辨率比所用激光脉冲的持续时间（10 和 300 fs）长得多，因此两个激光脉冲对电检测的电流动态没有影响。

该设备为片上太赫兹光谱提供了巨大的潜力，例如，小样本体积的太赫兹响应特性。对自旋电子学应用而言，片上太赫兹脉冲为铁磁和反铁磁系统中的自旋激发提供了一个前景，它超越了线性响应，并且不需要庞大的自由空间太赫兹光学器件。同时，与实现传统光电导发射器所需的显著更高的制造和集成工作量相比，将双层和金属波导制作和集成到几乎任何样品布局中都很容易（在芯片上）。