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、成本高和波長依賴等問題。
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依賴度低、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。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)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(xué)研究領(lǐng)域的工作積累，通過和中山大學(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(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。
金屬所劉龍副研究員和中山大學(xué)物理學(xué)院蔣天然博士后為論文的共同第一作者，金屬所趙曉天項(xiàng)目研究員、中山大學(xué)物理學(xué)院賴天樹教授和金屬所劉偉研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究基金、中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)基金和金屬所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
圖1. (a)和(b)Pt/CoFeB結(jié)構(gòu)中太赫茲輻射信號(hào)圖和原理示意圖，(c)和(d)Pt/CoFeB/Ti結(jié)構(gòu)中太赫茲輻射信號(hào)和原理示意圖。
圖2. 不同結(jié)構(gòu)樣品的太赫茲峰對(duì)峰（THz p-p）強(qiáng)度對(duì)比。
圖3. 稀土金屬Nd,Gd和Ho插層對(duì)自旋-軌道流轉(zhuǎn)化過程的影響機(jī)理圖。
圖4. Pt/CoFeB/RE/Ti結(jié)構(gòu)的頻譜圖對(duì)比。
