基于铁磁异质结构超快电子自旋动力学的太赫兹波辐射研究

发布时间：2020-08-11 19:39

【摘要】：20世纪80年代,基于超快光子学方法的太赫兹(THz)技术诞生,引起了科学家们的广泛兴趣。尤其是在THz光谱和成像等技术被开发出来以后,THz科学和技术表现出了极大的应用前景。但是THz波在最近十多年来才受到广泛的关注,这是因为THz波段的各种光子学器件还十分缺乏,特别是低成本、微型化、芯片级的THz发射器。亟需考虑新的材料体系、新的物理起源、新的微纳器件构造理念来发展THz宽带相干光源。本文基于THz辐射光谱系统,分别研究了一层(铁磁层)、两层(铁磁层/重金属层)和三层(重金属层/铁磁层/重金属层)铁磁薄膜异质结构的THz辐射特性。以及利用简单的条纹和块状结构,有效调制异质结构辐射的THz波。具体内容概括为以下三个方面:(1)基于超快退磁效应,我们系统研究了单层半金属哈斯勒合金Co_2MnSn薄膜的THz辐射特性。在800 nm的飞秒激光脉冲激发下,我们首次观测到了Co_2MnSn薄膜产生的宽带THz辐射。THz辐射对样品的磁性、对称性和泵浦功率依赖关系进行系统研究,我们发现THz辐射来源于磁偶极子,光诱导的亚皮秒时间尺度的超快退磁。我们的实验结果为飞秒激光激发Co_2MnSn薄膜调控载流子传输和磁有序提供了可能。(2)基于逆自旋霍尔效应,飞秒激光激发多层铁磁异质结构,我们研究了双层和三层异质结构的宽频相干THz波辐射。THz辐射主要来源于光激发瞬态电荷流,这电荷流由自旋流通过逆自旋霍尔效应转换而来。双层异质结构实验:通过设计不同的金属层(Pd或Ru)和铁磁层(CoFeB或CoFe)异质结,通过改变金属层和铁磁层的厚度,对THz辐射进行优化调制。通过泵浦功率依赖的测量,我们发现CoFeB/Pd辐射THz的饱和效应比CoFeB/Ru要小。三层异质结构实验:根据双层异质结构辐射结果,优化设计三层膜W(4 nm)/CoFeB(4 nm)/Pt(4 nm)和Ta(4nm)/CoFeB(4 nm)/Pt(4 nm),其辐射的THz强度皆优于同等激发功率下的ZnTe(厚度0.5 mm)晶体。(3)基于电流限制效应,主要研究了经过飞秒微加工系统刻蚀的铁磁异质结构调制THz波辐射。我们发现,在条状和块状铁磁异质结构中,通过调制由逆自旋霍尔效应诱导的相干电荷流和内建瞬态准同时产生的电流,能有效调制THz波的辐射。简单地旋转条纹结构和改变块状结构长度,能够有效调制样品辐射的THz波的振幅、谱宽和中心频率。我们的研究结果能够被用来研发面向器件的光-自旋电子学器件,也能够将THz发射器拓展为THz调制器。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN24
【图文】：

自旋,异质结构,非磁性金属,脉冲激发

图 1.2 (a) 飞秒抽运脉冲激发磁性/非磁性金属薄膜异质结构发射 THz 波，(磁化方向平行于 y轴，与纸面垂直)白色箭头表示自旋向上和自旋向下电子。(b) ISHE 示意图，自旋流 js转化为电荷流 jc。(c) 磁化方向为正向和反向时，Fe/Ru 和 Fe/Au 的 THz 发射信号。(d) 将(c)中的时域电场进行傅里叶变换后的频谱图。插图为 THz 辐射能量相对于抽运脉冲强度的依赖关系2016 年，T. Kampfrath 课题组[28]通过改变异质结构中磁性层和非磁层材料、样品的总厚度等参数对辐射的 THz 脉冲进行优化。实验结果如图 1.3(a)所示，THz脉冲的振幅强烈地依赖于非铁磁层材料的选择，Pt 和 Pd 可以获得相对较大的 THz发射强度。有趣的是，选择 W 作为非铁磁层材料时，所获得的 THz 强度与 Pd 相当，然而 THz 脉冲的相位却翻转了 180°。自旋霍尔电导率的计算结果表明，Pd与 W 的自旋霍尔电导率的符号与 THz 的相位相对应[29]。图 1.3(b)为样品的总厚度(铁磁层和非铁磁层的厚度保持大致相等)与 THz 辐射强度的依赖关系。如图所示，随着总厚度 d 从 25 nm 开始减小，THz 辐射脉冲的振幅逐渐增大，当 d=4 nm时达到一个极大值，然后迅速减小。

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考虑到 THz 波的能量较低，1 THz 的光子光子能量对大部分生物细胞不构成伤害，也不存物细胞进行探测[41]，这样就不会对生物组织造后 THz 技术将在医学成像领域做出它应有的贡。THz 脉冲的脉冲宽度在皮秒量级，可以方便、半导体、生物样品等)采取时间分辨的研究方材料将获取高信噪比的样品信息[43]，而且具有的是高分辨率，而这对于 THz 成像技术是十分。在材料分析和检测方面，THz 波长较长，透性，比如电介质材料、塑料、纸箱等，利用检验。同时 THz 波也不能透过金属，因此 THz 探测器的互补技术运用于机场、海关等处的安全投入商用。

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