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.

基于超快自旋-电荷转换的太赫兹辐射源

太赫兹技术在成像、传感和安全等方面展现出了巨大的应用潜力和价值.传统的固态宽带太赫兹源主要依赖于非线性光学晶体和光电导天线,而下一代太赫兹技术的一个主要挑战是开发高效、超宽带和低成本的太赫兹源.最近几年,基于自旋电子学的金属磁性异质结太赫兹源获得了很大关注.本文首先将对该类太赫兹源涉及的物理机理进行讨论,主要包括超快退磁和自旋-电荷转换.然后对该类源的效率提升做了探讨,具体的优化方向体现在三个方面:薄膜材料选择(含生长过程控制)、薄膜厚度和薄膜结构设计.文章最后给出简单总结和该领域的展望.

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.

超快自旋电子学研究进展

超快自旋电子学是当前信息处理技术革新最具前景的领域之一.与传统的电子学器件相比,基于自旋的新型信息器件具有功耗低、速度快、非易失性等特点.探究有关自旋的新颖物理现象和机制将极大地促进新一代磁性信息器件的开发与研制.本文综述在超快时间尺度磁学与自旋电子学研究的一系列进展.首先简要介绍自旋电子学的历史背景和飞秒激光诱导铁磁体超快退磁的发现;概括超快自旋动力学的相关物理机制与理论,包括唯象学三温度模型、含时密度泛函理论计算、Elliott-Yafet型自旋翻转机制等局域退磁机制和非局域超扩散自旋输运模型;深入总结亚铁磁和铁磁金属全光翻转的最新实验和理论研究;阐述超短激光诱导热电子自旋输运的发现和对超快磁动力学的影响,超快自旋转移矩效应,半导体材料超快自旋注入的实现及热电子输运中的自旋积累与耗散;分析自旋电子太赫兹源在性能优化与调控方面取得的进展;最后指出当前超快自旋电子学领域存在的挑战,并展望未来该领域的若干研究重点.