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来源：强场太赫兹

近日，北京航空航天大学国际创新学院国际太赫兹科创中心吴晓君教授课题组与中国科学院物理研究所等合作，通过优化具有优异热导率的基底材料和集成一维光子晶体结构增强的无外部磁场驱动IrMn3|Co20Fe60B20|W反铁磁|铁磁|重金属异质结，成功实现了聚焦峰值场强高达650kV/cm，辐射带宽覆盖0.1-5.5THz的无外磁驱动的强场自旋太赫兹发射器，为强场太赫兹物态调控、无损检测、生物医学等应用研究奠定了全固态超宽带强源基础。相关研究成果以"One-dimensional Photonic Crystal Structure Enhanced External-Magnetic-Field-Free Spintronic Terahertz High-Field Emitter"为题于2025年3月24日正式发表在JCR Q1区期刊《Science and Technology of Advanced Materials》上。

原文链接为：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14686996.2025.2478816

北航国新院为第一完成单位，北航杨泽浩博士、中国科学院物理研究所李嘉辉为论文的共同第一作者。北航国新院吴晓君教授、中国科学院物理研究所万蔡华副研究员为论文共同通讯作者。上述工作获得了北航国新院、国家自然科学基金、国家重点研发计划、武汉光电国家实验室开放项目等支持。

研究背景

采用倾斜波前技术的铌酸锂太赫兹强源能够在常规千赫兹重复频率的飞秒激光放大器泵浦下产生峰值场强超过1MV/cm的太赫兹脉冲。然而该技术的光学装置相对复杂，需要对激光的频谱分布、脉冲宽度、泵浦能量等多方面参数进行协同补偿优化，且产生的频谱大致覆盖0.1-2THz，限制了其应用场景的拓展。以W|Co20Fe60B20|Pt三层异质结为代表的材料和结构，已通过逆自旋霍尔效应展示出了产生超宽带和强场太赫兹脉冲的能力。然而，这些传统的自旋电子太赫兹发射器需要外部磁场来实现饱和磁化，阻碍了采用更大尺寸和更高功率泵浦源以产生更高电场和更均匀辐射场分布的太赫兹发射。尽管4英寸反铁磁(AFM)|铁磁(FM)|重金属(HM)(IrMn3|Co20Fe60B20|W)异质结已实现了无需外部磁场的强场太赫兹辐射，但其聚焦电场<250kV/cm，无法与传统自旋电子太赫兹发射器相媲美。

创新点

为了解决这些问题，北航吴晓君课题组不仅将反铁磁自旋电子太赫兹发射器IrMn3|Co20Fe60B20|W的基底材料从SiO2替换为高阻硅晶圆，还在基底上制备了一维光子晶体结构，能够在泵浦激光诱导的热量沉积到基底之前就几乎被自旋异质结完全吸收，充分利用泵浦激光的能量，将带有MgO涂层样品的聚焦太赫兹辐射场提高到650kV/cm,未饱和。高阻硅具有更高的热导率，有助于抑制发射器的热积累，使纳米薄膜的工作温度低于居里温度，从而提高超短超强飞秒激光泵浦样品的发射效率饱和阈值，进而使得单位面积产生更强的太赫兹辐射。课题组设计的宽带一维光子晶体层，不仅能够使不同波长的泵浦激光能量几乎完全用于太赫兹辐射的产生，还能抑制多余泵浦激光在硅基底中产生自由载流子所引起的太赫兹输出效率下降等问题。

图1. IrMn3|Co20Fe60B20|W异质结的增强结构设计与优化。(a) IrMn3|Co20Fe60B20|W异质结的太赫兹时域号，辐射太赫兹的原理，以及由交换偏置或耦合效应产生的磁场分布。(b) Si-PC-AFM-STEs太赫兹辐射原理示意图。(c) 模拟中不同对数的光子晶体层与实际光子晶体层的反射率。(d) 光子晶体层的工作原理示意图。(e) 无光子晶体层和有光子晶体层的硅基底样品对比照片。

通过优化，团队在4英寸IrMn3|Co20Fe60B20|W异质结中获得了超短太赫兹脉冲，其脉冲宽度约为110fs，在5.5mJ的泵浦能量激发下单脉冲能量为62.5nJ，聚焦峰值场强为650kV/cm。在10%振幅的条件下，频谱可以覆盖0.1-5.5THz(保守估计)的范围，并且在无外部磁场的情况下实现了高度均匀的辐射场分布。

图2. 光子晶体层（PC层）对AFM-STE性能的影响。(a) Si-AFM-STE和Si-PC-AFM-STE的太赫兹时域信号。(b) 旋转样品方位角时的辐射特性。(c) Si-AFM-STE和Si-PC-AFM-STE的太赫兹频域信号。

图3. 不同基底对AFM-STE的影响。(a) SiO2-PC-AFM-STE、Si-PC-AFM-STE和Si-PC-AFM-STE-MgO的太赫兹时域信号。(b) 不同基底样品的太赫兹峰值电场随入射泵浦光能量密度的变化。(c) 不同基底样品的太赫兹功率随入射泵浦光能量密度的变化。

总结与展望

总体而言，通过利用光子晶体层[HfO2(92 nm)| SiO2(136 nm)]的高反射率特性，课题组成功优化了泵浦脉冲的利用率，并减轻了硅基底的光导效应，充分利用了硅基底优异的导热性，并最大限度地减少了基底热沉积对IrMn3|Co20Fe60B20|W异质结性能的影响。与SiO2基底样品和无光子晶体层的裸硅基底样品相比，硅基底光子晶体反铁磁自旋电子太赫兹发射器(Si-PC-AFM-STEs)的电场强度分别提高了2倍和9倍以上。在5.5mJ泵浦能量下，MgO涂层样品的聚焦峰值电场显著增强。样品的聚焦峰值电场可达650kV/cm。通过利用反铁磁|铁磁(AFM|FM)界面的交换偏置或耦合效应来固定Co20Fe60B20层的面内磁场，并在4英寸范围内保持稳定的饱和磁化强度，避免了外部磁场对传统自旋电子太赫兹发射器的显著影响。同时还实现了STEs样品尺寸的扩展，从而能够在更大面积上产生具有均匀电场分布的强场太赫兹辐射。这种无需外部磁场的宽带强场太赫兹源在太赫兹与物质的线性和非线性相互作用研究等领域具有广泛的应用潜力。此外，基于STEs的太赫兹辐射具有水平传播特性，有望成为提升太赫兹成像系统性能的关键组件。