鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超快自旋?流調(diào)制實(shí)現(xiàn)相干太赫茲輻射

張順濃 朱偉驊 李炬賡 金鉆明3)? 戴曄 張宗芝?馬國(guó)宏3)?? 姚建銓4)

1)(上海大學(xué)理學(xué)院物理系,上海 200444)

2)(復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200082)

3)(上?？萍即髮W(xué)-上海光機(jī)所超強(qiáng)超快聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,上海 201210)

4)(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300110)

(2018年6月15日收到；2018年7月26日收到修改稿)

1 引 言

太赫茲(Terahertz,THz)波介于遠(yuǎn)紅外和微波之間,覆蓋頻率范圍從0.1—10 THz[1?3].THz波不僅在醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、產(chǎn)品檢測(cè)、空間通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[4?7],而且THz脈沖是凝聚態(tài)物質(zhì)中許多低能量元激發(fā)的共振探針[8].THz科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一是THz源[9,10].基于光子學(xué)方法的THz源主要包括:碲化鋅(ZnTe)光整流效應(yīng)[11,12]和低溫生長(zhǎng)的砷化鎵(LT-GaAs)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生THz脈沖[13,14].這兩種方法具有成熟度高、產(chǎn)生THz脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn).除了光整流和光電導(dǎo)天線,基于光子學(xué)的THz輻射源還包括空氣等離子體、非線性光混頻、自由電子激光器等.考慮新的材料體系、新的物理起源和新的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)THz輻射源一直是THz科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向.

2004年,法國(guó)科學(xué)家Beaurepaire等[15]首次利用飛秒激光脈沖誘導(dǎo)Ni薄膜產(chǎn)生皮秒量級(jí)的THz電磁輻射,并將這種電磁輻射歸結(jié)于磁性材料的超快退磁.同年,Hilton等[16]利用飛秒激光脈沖激發(fā)Fe薄膜也觀測(cè)到了THz波輻射.2012年,Shen等[17]研究了Ni-Fe合金中超快退磁輻射THz峰值與材料磁進(jìn)動(dòng)阻尼系數(shù)之間的關(guān)聯(lián).2015年,Nishant等[18]報(bào)道飛秒激光脈沖在Co薄膜中輻射THz波,并且給出薄膜厚度與THz輻射強(qiáng)度的依賴關(guān)系.2013年,Gorelov等[19]在鋱鎵石榴石(TGG)磁光晶體中發(fā)現(xiàn)基于逆法拉第效應(yīng)輻射切倫科夫型THz波.2015年,Mikhaylovskiy等[20,21]利用飛秒激光激發(fā)稀土鐵氧化物TmFeO3和ErFeO3單晶,通過(guò)交換相互作用的超快光調(diào)制輻射自旋波頻率的THz波.盡管許多研究表明,磁有序材料在飛秒激光輻照下能產(chǎn)生THz輻射,然而基于磁有序材料的THz輻射強(qiáng)度相比于ZnTe晶體而言可忽略不計(jì),很難成為THz輻射源的候選材料.值得注意的是,德國(guó)科學(xué)家Kampfrath等[22]在2013年首次利用飛秒激光脈沖激發(fā)鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Fe/Au和Fe/Ru),通過(guò)逆自旋霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)THz輻射.通過(guò)實(shí)驗(yàn)中測(cè)到的遠(yuǎn)場(chǎng)THz輻射脈沖,根據(jù)傳播函數(shù)計(jì)算得到近場(chǎng)THz脈沖,并以之重構(gòu)瞬態(tài)電荷流動(dòng)力學(xué),其超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的時(shí)間尺度大約在1 ps左右[22].經(jīng)過(guò)鐵磁層和非磁金屬層材料的甄選以及樣品結(jié)構(gòu)(包括構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的每一層材料厚度)等的進(jìn)一步優(yōu)化,鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)所輻射的THz波強(qiáng)度已經(jīng)能與ZnTe晶體相媲美[23?25].特別是厚度為5.6 nm的W/CoFeB/Pt三層膜結(jié)構(gòu)在激光振蕩器(重復(fù)頻率為80 MHz)產(chǎn)生的10 fs,1 nJ的飛秒激光脈沖激發(fā)后,能產(chǎn)生1—30 THz頻譜上無(wú)間斷的THz脈沖.研究表明,三層膜結(jié)構(gòu)的THz能量轉(zhuǎn)換效率甚至優(yōu)于基于激光振蕩器在0.25 mm的GaP(110),1 mm的ZnTe(110)以及光電導(dǎo)天線中的THz輻射[26].最近一系列的研究結(jié)果極大地激發(fā)了包括自旋電子學(xué)領(lǐng)域、超快光譜學(xué)領(lǐng)域以及THz科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域科研人員廣泛的研究興趣[27?30].

先前的研究報(bào)道中,所用的飛秒激光器的激發(fā)能量密度小于0.5 mJ/cm2,目的在于展示飛秒激光振蕩器實(shí)現(xiàn)高效THz輻射的能力.當(dāng)然,對(duì)于自旋電子學(xué)的THz發(fā)射器而言,由激光放大器產(chǎn)生的毫焦級(jí)飛秒光脈沖驅(qū)動(dòng)THz輻射源的效果和能力仍有待研究.本文以飛秒激光放大器輸出的120 fs激光脈沖入射到鐵磁/非磁金屬三層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,產(chǎn)生了實(shí)用、寬帶、偏振可調(diào)諧的相干THz輻射.所得THz脈沖寬度約1.2 ps,頻譜范圍0—2.5 THz.通過(guò)改變施加的磁場(chǎng)方向,改變光入射樣品中鐵磁和非磁層的順序,以及比較兩個(gè)三層膜結(jié)構(gòu)所輻射的THz脈沖等實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證實(shí)逆自旋霍爾效應(yīng)是產(chǎn)生THz輻射的主要物理機(jī)制.實(shí)驗(yàn)研究THz輻射強(qiáng)度與激發(fā)光能量密度的關(guān)系,并比較了基于自旋流的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和ZnTe晶體的飽和光能量密度.我們認(rèn)為異質(zhì)結(jié)構(gòu)中THz輻射的飽和現(xiàn)象可以解釋為高激發(fā)能量密度下自旋流在鐵磁層和非磁金屬層界面的積累效應(yīng).

2 實(shí) 驗(yàn)

室溫下,在雙面拋光的熔融石英(SiO2)襯底上,通過(guò)低成本、高成膜質(zhì)量的磁控濺射法,在超真空腔中(1×10?8Torr)生長(zhǎng)納米級(jí)厚度的三層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)NM1/FM/NM2.兩層非磁性金屬(NM)層NM1為Pt,NM2為W或者Ta.兩層NM之間夾一層鐵磁(FM)層Co20Fe60B20,如圖1所示.本文制備的兩種三層膜結(jié)構(gòu)分別為SiO2(500μm)/W(4 nm)/Co20Fe60B20(4nm)/Pt(4 nm)和SiO2(500μm)/Ta(4 nm)/Co20Fe60B20(4 nm)/Pt(4 nm).濺射中使用高純的W,Pt,Ta和Co20Fe60B20靶材來(lái)制備樣品,濺射速率用臺(tái)階儀定標(biāo),分別為0.034,0.050,0.042和0.022 nm/s.實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)改變?yōu)R射時(shí)間來(lái)控制樣品厚度.各層的膜厚控制精度為4.0 nm±0.2 nm.圖1(c)所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的自旋電子學(xué)THz發(fā)射器結(jié)構(gòu).

如圖1(a)所示,實(shí)驗(yàn)中使用鈦寶石激光放大器系統(tǒng)(Spitfire Pro),其輸出激光脈沖中心波長(zhǎng)800 nm,脈沖寬度約為120 fs,重復(fù)頻率1 kHz.準(zhǔn)直光束垂直入射到異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面.W/CoFeB/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁化曲線如圖1(d)所示.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)磁化可用永磁體所產(chǎn)生的±200 mT磁場(chǎng)所飽和.為了使抽運(yùn)脈沖與THz輻射脈沖在光路中分離,在異質(zhì)結(jié)構(gòu)輻射THz光束后,用聚四氟乙烯片擋住多余的抽運(yùn)光.通過(guò)常規(guī)的電光(EO)取樣方法來(lái)記錄瞬態(tài)THz電場(chǎng)；將THz光束和800 nm取樣光束聚焦到(110)取向的ZnTe(1 mm)EO晶體中；用平衡橋光電探測(cè)器記錄THz電場(chǎng)所誘導(dǎo)的取樣光橢圓率信號(hào)；所有實(shí)驗(yàn)都在室溫及干燥氮?dú)夥諊羞M(jìn)行.

當(dāng)近紅外飛秒抽運(yùn)脈沖激發(fā)FM/NM異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生瞬態(tài)非平衡電子分布.重要的是,鐵磁層中的多數(shù)自旋電子和少數(shù)自旋電子的輸運(yùn)特性顯著不同(包括壽命、載流子密度和電子遷移率).光激發(fā)的多數(shù)自旋電子具有類sp帶電子特征,比類d帶的少數(shù)自旋電子的輸運(yùn)速度快,即實(shí)現(xiàn)自旋流的超快光注入[31?34].與自旋依賴的塞貝克效應(yīng)類似,自旋流的極化方向與樣品的磁化方向一致[35].自旋流從鐵磁層注入相鄰的非磁金屬層,非磁金屬層材料由于強(qiáng)的自旋軌道耦合導(dǎo)致電子產(chǎn)生自旋依賴的偏轉(zhuǎn),稱為逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE).如圖1(c)所示,ISHE將飛秒激光誘導(dǎo)的自旋流(±Js)轉(zhuǎn)換成亞皮秒時(shí)間尺度上的橫向(沿著y軸)電荷流Jc∝ γJs×n,其中γ是自旋霍爾角,n是自旋極化的單位矢量.電荷流的大小不僅與γ相關(guān),還取決于入射激光的能量密度、整個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的厚度以及自旋流在非磁金屬覆蓋層中的弛豫長(zhǎng)度[29,30].如圖1(b)所示,瞬態(tài)電荷流Jc將輻射THz電磁脈沖[29,30],

圖1 (a)THz發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)裝置圖；(b)基于自旋電子學(xué)結(jié)構(gòu)的太赫茲發(fā)射器,飛秒激光脈沖將來(lái)自鐵磁(FM)層(具有面內(nèi)磁化M)的自旋流Js注入相鄰的非磁金屬(NM)層中；(c)逆自旋霍爾效應(yīng)將這些自旋電流轉(zhuǎn)換成垂直于磁化強(qiáng)度的面內(nèi)電荷流Jc,NM1和NM2具有符號(hào)相反的自旋霍爾角導(dǎo)致兩層NM層中的亞皮秒電荷流相互疊加；(d)W/CoFeB/Pt三層膜結(jié)構(gòu)沿平行膜面方向的磁滯回線Fig.1.(a)Experimental setup for THz generation；(b)THz emitter based on spintronic heterostructures,femtosecond laser pulse excites ferromagnetic(FM)layer(in-plane magnetization M),the spin current Jsinjects into the adjacent non-ferromagnetic(NM)layers；(c)inverse spin Hall effect(ISHE)transforms the spin current into an in-plane transverse charge current Jc,which is perpendicular to M,an enhanced sub-picosecond charge current is produced within NM1and NM2,which have opposite spin Hall angles；(d)magnetic hysteresis loop for W/CoFeB/Pt with magnetic field lies in the film plane.

其中,n1和n2是襯底和空氣的折射率,e代表電荷,Z0≈ 377 ?為真空阻抗,σ為z方向上的金屬電導(dǎo)率.因此,要進(jìn)一步提高THz輻射效率,不僅要選擇自旋軌道耦合強(qiáng)的非磁金屬層,而且需要綜合考慮以上參數(shù)才能得到高效THz輻射.基于不同厚度的CoFeB/Ru,CoFeB/Pd和CoFeB/Pt輻射THz波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[36],實(shí)驗(yàn)中我們選取了厚度為4 nm的Pt作為NM2材料.三層膜結(jié)構(gòu)中的另外一個(gè)金屬層我們選取的是與Pt(γ=0.08)的自旋霍爾角符號(hào)相反的W(γ= ?0.30)和Ta(γ= ?0.15)[37].如圖1(c)所示,NM1/FM/NM2三層膜結(jié)構(gòu)中,自旋流(±Js)在NM2(Pt)和NM1(W或Ta)中產(chǎn)生的瞬態(tài)電荷流相位一致,即Jc=J+J.因此,我們預(yù)期三層膜結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生比雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)CoFeB/Pt更強(qiáng)的THz輻射.

3 結(jié)果與討論

在進(jìn)行三層膜樣品測(cè)試之前,首先研究了組成三層膜結(jié)構(gòu)的雙層膜的THz發(fā)射信號(hào).圖2(a)為在干燥氮?dú)猸h(huán)境下,實(shí)驗(yàn)所記錄的CoFeB/Pt,CoFeB/W和CoFeB/Ta典型的THz電光取樣信號(hào).可以看出CoFeB/Pt的THz輻射脈沖的峰峰值遠(yuǎn)大于CoFeB/W和CoFeB/Ta的THz輻射強(qiáng)度.CoFeB/W的THz輻射峰峰值略大于CoFeB/Ta的輻射強(qiáng)度.此外,值得注意的是CoFeB/W和CoFeB/Ta所輻射的THz脈沖的相位與CoFeB/Pt輻射的THz脈沖相位呈π相位反轉(zhuǎn),這是由于W和Ta的自旋霍爾角γ的符號(hào)與Pt的相反[38].此外,THz輻射的相位隨磁場(chǎng)的反向發(fā)生π相位反轉(zhuǎn),所輻射的THz脈沖的線偏振方向垂直于樣品的面內(nèi)磁化方向.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明THz輻射的產(chǎn)生機(jī)制確實(shí)與樣品的磁有序有關(guān).

基于雙層膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究了兩類三層膜結(jié)構(gòu)W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt的THz輻射.如圖1(c)和圖2(a)所示,由于Pt和W(Ta)的自旋霍爾角的符號(hào)相反,光激發(fā)自旋流注入到Pt層和W(Ta)層后所轉(zhuǎn)換成的電荷流的相位相同,從而能相干增強(qiáng)THz輻射.這一預(yù)言在實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí),如圖2(b)和圖2(c)所示,可以看到兩類FM/NM三層膜結(jié)構(gòu)的THz輻射強(qiáng)度都高于CoFeB/Pt.具體而言,當(dāng)激光能量密度為1.4 mJ/cm2,W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt的THz峰峰值相比于CoFeB/Pt分別高了9.6%和0.8%.實(shí)驗(yàn)觀察到,THz脈沖的半高全寬約為1.2 ps.可以通過(guò)外加一個(gè)小磁場(chǎng)(B=200 mT)改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)磁化方向,從而改變THz輻射的線偏振方向.圖2(b)和圖2(c)中,我們反轉(zhuǎn)了外加磁場(chǎng)的方向(+B→?B),可以看到THz脈沖的相位完全反轉(zhuǎn).所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合我們對(duì)自旋電子學(xué)器件基于ISHE實(shí)現(xiàn)THz發(fā)射過(guò)程的理解[39,40].

圖2 (a)雙層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)CoFeB/Pt,CoFeB/W,CoFeB/Ta典型的THz電光取樣信號(hào)；(b)W/CoFeB/Pt和(c)Ta/CoFeB/Pt在面內(nèi)磁化方向相反的情況下,THz輻射脈沖的電光取樣信號(hào),紅色和藍(lán)色曲線分別代表磁場(chǎng)方向?yàn)?B和?B 時(shí)的THz脈沖信號(hào)；括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示該層膜的厚度,單位為nmFig.2.(a)Typical electric field of the THz radiation from the heterostructures of CoFeB/Pt,CoFeB/W,CoFeB/Ta,respectively；THz radiation signals from(b)W/CoFeB/Pt and(c)Ta/CoFeB/Pt for two opposite directions of the magnetic field,+B(red curve)and?B(blue curve),respectively.The numbers in parentheses indicate the thickness of the layer,unit is nm.

文獻(xiàn)[41,42]報(bào)道,THz相干脈沖和激光加熱鐵磁金屬產(chǎn)生非相干黑體輻射都對(duì)THz輻射有貢獻(xiàn).Seifert等[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明到達(dá)探測(cè)器的黑體輻射比相干THz輻射的功率小得多.實(shí)際上,NM/FM異質(zhì)結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)溫度以及由此產(chǎn)生的黑體輻射不能跟上抽運(yùn)光功率的調(diào)制頻率.另外,來(lái)自樣品的黑體輻射基本不受外加磁場(chǎng)的影響.因此,本工作中基于斬波器-鎖相放大器獲得的是相干THz脈沖輻射.

值得注意的是,鐵磁層吸收飛秒激光脈沖產(chǎn)生的超快退磁也可能產(chǎn)生相干THz脈沖[43,44].基于超快退磁效應(yīng),鐵磁層所產(chǎn)生的THz相干輻射被認(rèn)為與樣品的構(gòu)置方向(對(duì)稱性)無(wú)關(guān).即光輻照與Pt/CoFeB和CoFeB/Pt所產(chǎn)生的THz脈沖的相位應(yīng)該保持一致.然而,這與所觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的THz脈沖的相位強(qiáng)烈地取決于光脈沖經(jīng)過(guò)鐵磁層(CoFeB)和金屬層(Pt和W)的順序.如圖3所示,飛秒激光從襯底一側(cè)入射和從金屬Pt一側(cè)入射情況下THz輻射的時(shí)域波形.當(dāng)樣品被磁化到一個(gè)方向(固定外磁場(chǎng)的施加方向),改變激光入射的順序,可以看到THz波形的極性發(fā)生180?反轉(zhuǎn).原因在于反轉(zhuǎn)樣品,相當(dāng)于反轉(zhuǎn)了自旋流的流向(Js→?Js).根據(jù)逆自旋霍爾效應(yīng),?Jc=(?Js)(×M,反向電荷流)實(shí)現(xiàn)THz輻射的相根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的結(jié)論是:對(duì)于磁性/非磁金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的THz相干輻射而言,退磁效應(yīng)的貢獻(xiàn)很小甚至可以忽略不計(jì),基于自旋流擴(kuò)散的ISHE效應(yīng)占絕對(duì)主導(dǎo)地位.

如圖4(a)所示,在時(shí)域上,我們對(duì)三層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的THz輻射與0.5 mm厚ZnTe晶體輻射的THz脈沖進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)所用的飛秒激光能量密度為1.4 mJ/cm2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt所輻射的THz脈沖峰峰值超過(guò)了相同實(shí)驗(yàn)條件下0.5 mm的ZnTe(110)晶體的輻射強(qiáng)度.將圖4(a)中的時(shí)域脈沖ETHz(t)經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到復(fù)振幅譜|ETHz(ω)|,如圖4(b)所示.可見,在120 fs的激光脈沖激發(fā)下,自旋電子學(xué)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的THz輻射頻譜寬度與ZnTe晶體的相近,頻譜范圍覆蓋了0—2.5 THz,已經(jīng)完全符合桌面式THz時(shí)域光譜的應(yīng)用需求.

圖3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)W/CoFeB/Pt與激發(fā)光束在不同的構(gòu)置下產(chǎn)生的THz脈沖,實(shí)驗(yàn)中外磁場(chǎng)的方向固定為+BFig.3. The orientation of the structures with respect to the pump beam and the generated THz pulses for W/CoFeB/Pt layer structure,measured under the magnetic field of+B.

圖5給出了兩個(gè)FM/NM異質(zhì)結(jié)構(gòu)THz發(fā)射脈沖的峰峰值隨抽運(yùn)光能量密度FP的依賴關(guān)系.增加激光的能量密度指的是:保持激光的光斑大小不變,通過(guò)改變中性可調(diào)衰減片以改變激光的功率,從而增加或減小入射到樣品表面的激光能量密度.在實(shí)驗(yàn)所用的抽運(yùn)光能量密度范圍內(nèi),THz脈沖波形的峰峰值隨著激光能量密度的增加而增加,最終趨于飽和.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)飽和公式ETHz(FP)∝FP/(FP+Fsat)描述[45],式中的FP是抽運(yùn)光能量密度,Fsat是飽和能量密度.擬合結(jié)果如圖5所示,W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt的THz輻射飽和能量密度分別為Fsat=0.47 mJ/cm2和0.61 mJ/cm2,小于先前報(bào)道的Fe/Ru雙層膜結(jié)構(gòu)中THz輻射的飽和能量密度1 mJ/cm2.

研究表明,飽和能量密度可以定性地描述自旋流在金屬覆蓋層中的自旋積累效應(yīng)[36].因此在高的抽運(yùn)光能量密度下,自旋積累效應(yīng)限制了金屬層中的自旋極化電子的密度,從而減緩了THz輻射隨抽運(yùn)光增加而增長(zhǎng)的趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Ta/CoFeB/Pt的飽和能量密度略大于W/CoFeB/Pt,這表明相比于W,Ta覆蓋層中的自旋積累效應(yīng)相對(duì)較小.目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩種三層膜Ta/CoFeB/Pt和W/CoFeB/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高的激發(fā)能量密度下所輻射的THz峰峰值均大于0.5 mm厚的ZnTe晶體在相同實(shí)驗(yàn)條件下的輻射強(qiáng)度.此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,異質(zhì)結(jié)構(gòu)所輻射的THz脈沖的頻譜寬度基本上與抽運(yùn)光能量密度無(wú)關(guān).現(xiàn)有的研究表明,THz脈沖的頻譜寬度主要由瞬態(tài)自旋流動(dòng)力學(xué)的變化快慢所決定[24?27,36].

圖4 三層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt與0.5 mm厚ZnTe(110)晶體輻射THz脈沖在(a)時(shí)域上和(b)頻域上的比較結(jié)果Fig.4.THz radiation from the heterostructures of W/CoFeB/Pt and Ta/CoFeB/Pt,compared with 0.5 mm-thickness ZnTe(110)in(a)time-and(b)frequency-domain.

圖5 W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及ZnTe的THz輻射峰峰值隨入射光脈沖能量密度的關(guān)系,圖中的符號(hào)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),黑色實(shí)線為擬合結(jié)果Fig.5.The peak to peak values of THz radiation as a function of incident pump fluencefor W/CoFeB/Pt,Ta/CoFeB/Pt,and ZnTe,respectively.The symbols are raw data and the black lines arefitting curves.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了兩種鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)THz輻射器,首先驗(yàn)證其THz輻射的物理機(jī)制主要源于逆自旋霍爾效應(yīng). 其次,比較了三層膜W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)輻射THz相干脈沖的能力.在實(shí)驗(yàn)所用的光能量密度范圍內(nèi),W/CoFeB/Pt的THz輻射強(qiáng)度略高于Ta/CoFeB/Pt,然而Ta/CoFeB/Pt的THz飽和能量密度略大于W/CoFeB/Pt.通過(guò)THz輻射的飽和能量密度,可以定性地分析金屬覆蓋層中自旋極化電子的累積效應(yīng).本工作處于自旋電子學(xué)THz輻射源研制的起步階段,不僅抽運(yùn)脈沖的激發(fā)能量和脈沖持續(xù)時(shí)間尚需優(yōu)化,就發(fā)射器本身而言,包括其工作溫度、鐵磁和非磁金屬層材料的選擇、組成的序列及其級(jí)聯(lián)發(fā)射構(gòu)置等都值得進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化.目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展表明,基于鐵磁/非磁性金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸成為寬帶相干THz脈沖輻射的一種有效方案.