【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(yīng)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(dǎo)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(zhǎng)依賴(lài)等問(wèn)題。
 

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

　　中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心功能材料與器件研究部基于過(guò)去多年在自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域的工作積累，通過(guò)和中山大學(xué)物理學(xué)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(lèi)密切相關(guān)的自旋-軌道流轉(zhuǎn)化機(jī)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(yīng)和逆軌道霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自旋-電荷、自旋-軌道-電荷流的轉(zhuǎn)化，從而對(duì)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(guò)程。具體如下：輕稀土Nd(4f電子殼層少于半滿)將負(fù)極化的自旋流(-JS)轉(zhuǎn)化為負(fù)極化的軌道流(-JL)，隨后在Ti層中轉(zhuǎn)化為負(fù)極化的電荷流(-JC)，最終導(dǎo)致含稀土Nd插層樣品的太赫茲峰對(duì)峰強(qiáng)度(THz p-p)弱于對(duì)照樣品Pt/CFB/Ti的強(qiáng)度值。反之，重稀土Gd和Ho(4f電子殼層半滿及多于半滿)將負(fù)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(qiáng)的太赫茲峰對(duì)峰強(qiáng)度。另一方面，對(duì)照樣品(Pt/CoFeB/RE和Pt/CoFeB/Ti/RE)的太赫茲測(cè)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?？焖俑道锶~變換結(jié)果進(jìn)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(qiáng)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。