自旋电子太赫兹源研究进展

发布时间：2021-06-08 06:27

　　太赫兹频段在电磁波谱上位于红外和微波之间,兼具宽带性、低能性、高透性、指纹性等诸多优势特性,在航空航天、无线通信、国防安全、材料科学、生物医疗等领域具有重要的应用前景.太赫兹科学与技术的发展和应用在很大程度上受限于源的水平,新型太赫兹辐射源的机理研究和器件研制至关重要.自旋太赫兹发射不仅从物理上提供了操控飞秒自旋流的可能,而且有望成为下一代超宽带、低成本、高效率新型太赫兹源的优选.本文系统地综述了自旋电子太赫兹源的发展历程、实验装置、发射机理、材料选择,以及前景展望,重点介绍了飞秒激光诱导的超快自旋流、铁磁和非磁界面的自旋电荷转换以及太赫兹发射等物理机制方面的研究进展.本文还分别介绍了基于重金属、拓扑绝缘体、Rashba界面和半导体等体系的自旋电子太赫兹源. 

【文章来源】：物理学报. 2020,69(20)北大核心EISCICSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

透射式太赫兹发射谱仪的光路示意图

非线性晶体是通过光整流效应产生太赫兹辐射.当飞秒激光在非线性晶体中传播时,不同频率成分的光在晶体中的差频作用会产生一个低频极化电场,从而向外辐射太赫兹波.除了Li Nb O3,Zn Te等常用的无机晶体外,DAST,DSTMS,OH1等有机晶体也能与飞秒激光作用产生较强的太赫兹辐射[16–18].非线性晶体与飞秒激光作用产生的太赫兹辐射具有信号强度大、频谱范围宽的优点,但由于非线性晶体存在声子吸收以及损伤阈值等因素,难以进一步提高抽运激光的能量,因此无法产生更强的太赫兹辐射.此外,这些非线性晶体无法批量生长,价格较高,且尺寸受到限制.自旋电子太赫兹源(图2)利用飞秒激光和铁磁薄膜的相互作用产生太赫兹波自旋电子太赫兹源不仅可以产生超宽带太赫兹辐射,而且还可以实现强场太赫兹辐射,同时还具有高效、廉价的特点,在众多太赫兹源中,具有独特的优势.相较于电光晶体的尺寸受限,磁性多层膜可以使用磁控溅射设备大规模低成本均匀制备.2017年,Seifert等[19]提出可以使用扩束后的激光脉冲(能量为5.5 m J,中心波长为800 nm,持续时间为40 fs,重复频率为1 k Hz)来激发强场太赫兹发射.他们采用半高宽为4.8 cm的飞秒激光作用到大面积的自旋薄膜上,成功产生持续时间仅为230 fs的单周期太赫兹脉冲,且峰值电场高达300 k V/cm.

自旋轨道耦合也带来了SHE的逆过程,即逆自旋霍尔效应(inverse spin Hall effect,ISHE).ISHE将一个纵向的自旋流js转化成横向的电荷流jc∝θSHjS,其中θSH代表了材料的自旋霍尔角.在铁磁共振实验中,研究人员已经将ISHE用于自旋流的探测中[53,54].类似地,磁性材料在飞秒激光的作用下产生超快自旋流,并且注入到强SOC的非磁层中,ISHE将超快自旋流转化为超快电荷流,从而产生太赫兹辐射(图3).3.2.2 逆埃德尔斯坦(Edelstein)效应


本文编号：3217856