[發明專利]一種自旋太赫茲發射裝置及方法

有效

• 申請號: 201910772551.2
• 申請日: 2019-08-21
• 公開（公告）號: CN110535003B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 聶天曉;王海宇;趙海慧
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 苗曉靜

本發明提供一種自旋太赫茲發射裝置及方法，利用飛秒激光器將泵浦激光穿透由互相接觸的鐵磁層與非鐵磁層組成的雙層納米薄膜，并從非鐵磁層輻射出第一太赫茲脈沖；同時，利用電流源向非鐵磁層輸入電流，以在非鐵磁層產生自旋流，利用其引發的自旋軌道矩使鐵磁層發生磁性翻轉，并從非鐵磁層輻射出與第一太赫茲脈沖的極性相反的第二太赫茲脈沖，由此使得從非鐵磁層輻射出與最初產生的太赫茲脈沖極性相反的太赫茲脈沖。本發明能快速改變輻射出的太赫茲脈沖的極性，以輻射出極性相反的太赫茲脈沖，且結構簡單、操作簡便，有利于相關太赫茲器件的生產和應用。

技術領域

本發明涉及太赫茲脈沖技術領域，尤其涉及一種自旋太赫茲發射裝置及方法。

背景技術

太赫茲(THz)波包含了頻率為0.1-10THz的電磁波，這一波段的電磁輻射具有很強的透視能力，可以作為一種“探針”來對事務的內部進行深入的研究。隨著新材料領域的技術發展，太赫茲技術受到越來越多的重視。太赫茲技術在太赫茲時域光譜、太赫茲成像、太赫茲雷達、太赫茲輻射、通信、生物醫學領域都有著廣泛的應用前景。

目前，太赫茲技術對高效、高功率、低成本和室溫工作的太赫茲輻射源依然具有強烈的需求，常用的太赫茲輻射源主要是基于光子學方法產生的，常用的太赫茲輻射源一般利用碲化鋅光整流效應或者低溫生長的砷化鎵光導天線產生太赫茲脈沖，這兩種方法成熟度高，產生的太赫茲脈沖的電場強度高、穩定性好，但是存在制備工藝復雜、成本高昂等缺點，不能實現大規模的生產與應用，因此近來，出現利用自旋實現太赫茲發射突破上述瓶頸，從而實現高效、低成本以及偏振態可控的太赫茲發射源。

該太赫茲發射源主要是利用飛秒激光脈沖照射鐵磁層與非鐵磁層異質結構產生太赫茲波，鐵磁層吸收光能量使電子從費米面下d帶躍遷到費米面以上的能帶，產生非平衡的電子分布；受激發的自旋向上的電子呈現sp電子特性，自旋向下的電子呈現d電子特性，而自旋向上的電子的遷移率比自旋向下的電子的遷移率高5倍，由此產生從鐵磁層到非鐵磁層的瞬時自旋極化傳輸即瞬時自旋流，然后由于逆自旋霍爾效應或逆拉什巴效應，自旋向上和自旋向下的電子被散射到相反方向，注入非鐵磁層的瞬時自旋流轉變成瞬時的電荷流，從而輻射出太赫茲脈沖。

但是，該太赫茲發射源無法快速改變輸出的太赫茲脈沖的極性，不利于相關太赫茲器件的生產與應用，從而使得太赫茲技術無法在太赫茲時域光譜、太赫茲成像、太赫茲雷達、太赫茲輻射、通信、生物醫學領域進行更廣泛的應用。

發明內容

為了解決目前的太赫茲發射源無法快速改變輸出的太赫茲脈沖的極性的問題，一方面，本發明實施例提供一種自旋太赫茲發射裝置，該裝置包括：飛秒激光器、雙層納米薄膜和電流源；其中，雙層納米薄膜包括互相接觸的鐵磁層與非鐵磁層，鐵磁層和非鐵磁層均為納米薄膜；飛秒激光器用于輸出泵浦激光并穿透雙層納米薄膜，并從非鐵磁層輻射出第一太赫茲脈沖；電流源用于向非鐵磁層輸入電流，以在非鐵磁層產生自旋流，自旋流引發自旋軌道矩使鐵磁層發生磁性翻轉，并從非鐵磁層輻射出與第一太赫茲脈沖的極性相反的第二太赫茲脈沖。

優選地，飛秒激光器為飛秒激光振蕩器、飛秒激光方法器或光纖飛秒激光器，飛秒激光器輸出的泵浦激光的脈沖寬度小于1ps。

優選地，非鐵磁層的材料為強自旋軌道耦合材料，強自旋軌道耦合材料為重金屬材料或拓撲絕緣材料；其中，重金屬材料包括Pt、Ta或W中的一種或多種的組合層；拓撲絕緣材料包括Bi₂Se₃，Bi₂Te₃，BixSb_1-x，Sb₂Te₃或(Bi_xSb_1-x)₂Te₃中的任一種或任一種的合金。

優選地，鐵磁層的材料包括過渡金屬或過渡金屬合金。

優選地，電流源為直流電流源或交流電流源。