Прямые доказательства терагерцового излучения, возникшего в результате аномального эффекта Холла

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5988 (2023) Цитировать эту статью

1375 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Детальное понимание различных механизмов, ответственных за терагерцовое (ТГц) излучение в ферромагнитных (ФМ) материалах, поможет в разработке эффективных ТГц излучателей. В этом отчете мы представляем прямые доказательства ТГц излучения из однослойных тонких ФМ пленок Co\(_{0.4}\)Fe\(_{0.4}\)B\(_{0.2}\) (CoFeB). Доминирующим механизмом, ответственным за ТГц излучение, является аномальный эффект Холла (АЭХ), который представляет собой эффект суммарного обратного тока в ФМ-слое, создаваемого спин-поляризованным током, отраженным от границ ФМ-слоя. ТГц излучение эмиттера CoFeB на основе АЭХ оптимизируется за счет изменения его толщины, ориентации и плотности энергии накачки лазерного луча. Результаты измерений электрического транспорта показывают, что асимметричное рассеяние носителей заряда ответственно за ТГц излучение в ТГц-эмиттере на основе CoFeB AHE.

Область электромагнитного спектра, которая находится между ближним микроволновым и дальним инфракрасным излучением, представляет собой так называемое терагерцовое (ТГц) излучение или ТГц-промежуток, т.е. обычно частоты между 100 ГГц и 30 ТГц. Терагерцовое излучение находит применение в различных областях, таких как медицина, безопасность и т.д.1,2. Фотопроводящее переключение, оптическое выпрямление, переходный фототок в воздушной плазме и генерация разностной частоты представляют собой методы, используемые для генерации ТГц излучения3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Более того, ТГц излучение магнитных материалов, использующее спиновую степень свободы, в последнее время приобрело популярность как многообещающая основа для генерации широкополосного излучения без каких-либо фононных щелей поглощения и с интенсивностью, сравнимой со стандартным ТГц источником из теллурида цинка14,15.

Существует несколько возможных механизмов, которые могут объяснить генерацию ТГц излучения в спиновых системах. Борепер и др.16 обнаружили сверхбыстрое размагничивание (UDM) в 1996 году, показав, что ферромагнитная (ФМ) пленка Ni при размагничивании в субпикосекундном масштабе времени возбуждением фемтосекундным (фс) лазерным импульсом генерирует ТГц излучение17. ТГц излучение в этом случае пропорционально второй производной намагниченности по времени18 и имеет линейную зависимость от толщины ФМ-слоя. Недавно Кампфрат и др.14,19 обнаружили альтернативный механизм генерации ТГц, который использует обратный эффект Холла спина (iSHE) или обратный эффект Расбхи-Эдельштейна (iREE). Здесь механизм генерации требует магнитной гетероструктуры, состоящей из FM-слоя и немагнитного (NM) слоя, которая обладает высокой эффективностью преобразования спина в заряд (S2C). В этом механизме амплитуда ТГц излучения сильно зависит от эффективности преобразования S2C. Недавно было показано, что ТГц излучатели могут быть спроектированы с использованием одного FM-слоя, который использует явление аномального эффекта Холла (AHE)20,21,22,23. С одной стороны, механизм UDM опирается на объемные свойства одного FM-слоя, а с другой стороны, механизм AHE соответствует комбинированному влиянию интерфейсных и объемных свойств, что будет дополнительно обсуждаться ниже.

Импульс фс-лазера, попадая на ФМ-слой, возбуждает горячие электроны в ФМ-слое. Система достигает равновесия за счет электрон-электронных, электрон-фононных и электрон-магнонных взаимодействий. Прежде чем достичь равновесия относительно электрон-электронных взаимодействий, горячие электроны приобретают скорость порядка \(10^6\) м/с и движутся внутри ФМ-слоя сверхдиффузионным образом24,25. Достигнув границ раздела ФМ/диэлектрик, как показано на рис. 1, электроны отражаются обратно от интерфейсов, образуя чистый обратный ток (\(j_{bf}\)) вдоль направления толщины пленки25. При наличии АЭХ \(j_{bf}\) преобразуется в переходный ток (\(j_t\)) определяемый как \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\) ), где \(\theta _{AHE}\) и m — аномальный угол Холла и направление намагничивания соответственно. Чистый обратный ток зависит от диэлектрических свойств интерфейсов, их шероховатости и свойств ФМ-слоя, таких как \(\theta _{AHE}\) и m.