自旋太赫兹源:性能、调控及其应用

自旋太赫兹源基于铁磁/非磁纳米薄膜异质结构中的超快自旋流-电荷流转换产生太赫兹脉冲,具有超宽频谱、固态稳定、偏振可调、超薄结构、成本低廉等独特优点,近年来引起很大的关注.本文首先简要介绍太赫兹波、太赫兹自旋电子学及自旋太赫兹源;其次从自旋太赫兹源的性能提升、调控及其应用3方面对其研究进展进行详细的综述,分别为:1)基于自旋太赫兹源产生太赫兹的3个过程--超快自旋输运、光学激发、太赫兹出射的性能提升方法, 2)自旋太赫兹源偏振和频谱的主动调控, 3)自旋太赫兹源在太赫兹超宽谱测试、磁结构检测及成像、太赫兹超分辨近场成像等方面的应用;最后总结全文,指出自旋太赫兹源目前存在的问题,并展望其发展方向.

基于IrMn/Fe/Pt交换偏置结构的无场自旋太赫兹源

与目前商用的太赫兹源相比,自旋太赫兹源具有超宽频谱、固态稳定以及成本低廉等优点,这使其成为下一代太赫兹源的主要研究焦点.但使用自旋太赫兹源时,通常需要外加磁场使铁磁层的磁化强度饱和,才能产生太赫兹波,这制约了其应用前景.基于此,本文制备了一种基于IrMn/Fe/Pt交换偏置结构的自旋太赫兹波发生器,通过IrMn/Fe中的交换偏置场和Fe/Pt中的超快自旋流注入与逆自旋霍尔效应相结合,在无外加磁场下产生了强度可观的太赫兹波.在IrMn和Fe的界面中插入超薄的Cu,可以使Fe在厚度很薄时零场下实现饱和磁化,并且其正向饱和场最高可达–10 mT,从而进一步提升无场下的太赫兹发射效率.零场下出射的太赫兹波的动态范围超过60 dB,达到可实用化的水平.通过旋转样品,发现产生的太赫兹波的偏振方向也会随之旋转,并且始终沿着面内垂直于交换偏置场的方向.此外,在此交换偏置结构的基础上,引入了一层自由的铁磁金属层Fe,设计了一种以IrMn/Fe/Pt/Fe为核心结构的自旋阀太赫兹源,发现产生的太赫兹强度在两层铁磁层反平行排列时比平行排列以及不引入自由铁磁金属层时均大约提升了40%.结果表明,基于IrMn/Fe/Pt结构的自旋太赫兹信号源可在无外场下产生可观的太赫兹信号,并且其强度可通过引入自由铁磁金属层进一步增强,偏振方向也可通过旋转样品进行调控,这些优点使其有望在下一代太赫兹信号发生器中发挥重要的作用.