【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】太赫茲(THz)是一種頻率介于微波和紅外頻率之間的電磁波，在生物醫(yī)療、材料和通信等諸多領(lǐng)域中有著重要的應用需求。目前，缺乏高效率、高集成度以及易調(diào)制的太赫茲輻射源。傳統(tǒng)太赫茲產(chǎn)生方式，如光電導天線和電光晶體法，普遍存在著太赫茲能量低、帶寬小、成本高和波長依賴等問題。
 

　　基于自旋電子學效應的太赫茲產(chǎn)生方式由于具有激光波長依賴度低、超寬帶、高效率和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已受到國內(nèi)外太赫茲研究的密切關(guān)注。增強電荷-自旋-軌道自由度之間的轉(zhuǎn)化效率對于提升自旋電子-太赫茲輻射強度至關(guān)重要。
 

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部基于過去多年在自旋電子學研究領(lǐng)域的工作積累，通過和中山大學物理學院合作，在多層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入稀土(RE)金屬插層，發(fā)現(xiàn)了和稀土種類密切相關(guān)的自旋-軌道流轉(zhuǎn)化機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Pt/CoFeB(/Ti)異質(zhì)結(jié)中，太赫茲的產(chǎn)生主要依靠逆自旋霍爾效應和逆軌道霍爾效應實現(xiàn)自旋-電荷、自旋-軌道-電荷流的轉(zhuǎn)化，從而對外輻射太赫茲脈沖。將稀土金屬Nd、Gd和Ho插入到CoFeB和Ti層中間后，稀土的自旋軌道耦合顯著地影響了CoFeB-Ti一側(cè)的自旋-軌道流轉(zhuǎn)化過程。具體如下：輕稀土Nd(4f電子殼層少于半滿)將負極化的自旋流(-JS)轉(zhuǎn)化為負極化的軌道流(-JL)，隨后在Ti層中轉(zhuǎn)化為負極化的電荷流(-JC)，最終導致含稀土Nd插層樣品的太赫茲峰對峰強度(THz p-p)弱于對照樣品Pt/CFB/Ti的強度值。反之，重稀土Gd和Ho(4f電子殼層半滿及多于半滿)將負極化的自旋流(-JS)轉(zhuǎn)化為正極化的軌道流(+JL)，隨后在Ti層中轉(zhuǎn)化為正極化的電荷流(+JC)，從而在含重稀土插層的樣品中觀察到了增強的太赫茲峰對峰強度。另一方面，對照樣品(Pt/CoFeB/RE和Pt/CoFeB/Ti/RE)的太赫茲測量結(jié)果可以排除稀土金屬自身的自旋-電荷流轉(zhuǎn)化的影響。快速傅里葉變換結(jié)果進一步證明，稀土金屬Gd有助于提高太赫茲輻射的整體頻譜范圍和強度。
 

　　相關(guān)研究成果以“Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd,Gd,and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements” 為題目于9月19日發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。