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科学家将太赫兹辐射与自旋波结合在一起
发布时间:2023-02-23 18:14:51 阅读:434

来源:亥姆霍兹国家研究中心联合会;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 尹浩玮 编译

在薄金属层样品中,太赫兹光波(左起)被转换成自旋波(右)。在重金属层(左)中,电流首先被太赫兹场激发。在超短的时间内,自旋霍尔效应导致在与铁磁层的界面处积累具有一定方向的自旋(右)。然后,这种定向自旋电流在铁磁材料中触发相干的纳米波长自旋波。来源:HZDR/Juniks

    由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)领导的一个国际研究小组开发了一种新方法,可以有效耦合太赫兹波与波长更短的自旋波,即所谓的自旋波。正如专家们在《自然物理》杂志上发表的报告所述,他们的实验与理论模型相结合,阐明了以前认为不可能的这一过程的基本机制。该结果是开发新型节能自旋数据处理技术的重要一步。

    HZDR辐射物理研究所的Sergey Kovalev博士说:“我们能够在一个三明治状的材料系统中使用太赫兹光有效地激发高能自旋波,该材料系统由两层几纳米厚的金属薄膜组成,中间夹着一层铁磁层。”该实验在HZDR进行。电子有一个有效的自旋,就像一个旋转的陀螺。

    就像陀螺仪一样,外部扰动会使自旋的旋转轴倾斜:一种称为进动的陀螺仪运动也会随之倾斜。在铁磁材料中,电子自旋之间存在非常强的相互作用,因此,局部开始的进动以自旋波的形式继续贯穿整个铁磁材料层。

    这很有趣,因为自旋波像任何波一样,可以用作信息载体。当每个电子自旋运动时,在铁磁体中,它保持在原子晶格中的位置,因此不涉及电流流动。因此,与今天的计算机芯片不同,在基于自旋的设备中,没有由于电流而造成的热损失。

    方便的是,高能自旋波的特征频率在太赫兹范围内。这正是用于数据传输和处理的新型超快技术的目标范围。因此,将光学太赫兹技术与基于自旋的设备相结合,可以为IT技术带来全新而高效的概念。

    问题:不同类型波之间的通信

    与光类似,光也可以用称为光子的单个粒子来描述,自旋波的能量是量子化的,自旋波的量子被称为马努子。马努子和太赫兹光子具有相同的能量,因此应该很容易相互转换。但在这一过程中存在一个问题:两种波现象的速度完全不同。

    太赫兹波以光速作为电磁辐射传播,而自旋波则与相互作用的自旋有关。它们的传播速度比光的传播速度慢上百倍。虽然太赫兹波的波长略小于一毫米,但另一方面,自旋波的波长只有几纳米。因此,太赫兹波没有机会将其能量直接转移到一个慢得多的自旋波上。

    为了解决这个问题,研究人员设计了一种极薄的钽和铂金属层的组合,他们在中间插入了一层薄的铁磁性镍铁合金。这种材料的组合很精确地将光信号转变为自旋信号。

    从光到旋转需要多个步骤

    他们在HZDR离子束物理与材料研究所开发并生产了功能层材料。为了做到这一点,他们逐渐将金属薄膜蒸汽沉积在薄玻璃基板上。“在实验中,我们用强烈的太赫兹脉冲轰击样品,并用光学激光脉冲测量它们快速随时间变化的磁化强度。我们发现了磁化强度的特征振荡,即使是在激发太赫兹脉冲完全不再与样品相互作用的时候。” Kovalev解释说。

    “我们改变了许多因素,比如外部磁场和不同的层的材料组成,直到我们可以自信地证明这些确实是我们正在寻找的自旋波。”正在研究新功能磁性材料的队友Ruslan Salikhov博士说。

    为了将电磁波转换为自旋波,研究小组利用了一系列不同的量子效应。形象地说,这些效应确保太赫兹波和自旋波相互理解。首先,太赫兹辐射加速了重金属中的自由电子,使微观电流得以形成。

    这些电流通过所谓的自旋霍尔效应转化为自旋电流,也就是说,电子电流只有一个非常特定的自旋方向,因此可以在局部空间传输由此产生的角动量。在重金属和铁磁体之间的界面上,这个角动量对铁磁体中的自旋施加扭矩。这个扭矩精确地传递了导致自旋波形成的扰动。

    通过比较不同的样本,科学家们现在已经能够证明太赫兹场本身不能直接产生自旋波。只有绕道才能成功。因此,他们能够在皮秒时间尺度上证实关于自旋轨道扭矩效率的理论预测。

    因此,新的样本系统可以作为太赫兹驱动的自旋波源,原则上可以很容易地集成到电路中。这项工作是将太赫兹技术应用于新型电子元件的重要一步。同时,所演示的方法为基于自旋的器件的非接触表征开辟了新的可能性。

 
 

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