[发明专利]一种自旋太赫兹发射装置及方法

说明书

本发明提供一种自旋太赫兹发射装置及方法，利用飞秒激光器将泵浦激光穿透由互相接触的铁磁层与非铁磁层组成的双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；同时，利用电流源向非铁磁层输入电流，以在非铁磁层产生自旋流，利用其引发的自旋轨道矩使铁磁层发生磁性翻转，并从非铁磁层辐射出与第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲，由此使得从非铁磁层辐射出与最初产生的太赫兹脉冲极性相反的太赫兹脉冲。本发明能快速改变辐射出的太赫兹脉冲的极性，以辐射出极性相反的太赫兹脉冲，且结构简单、操作简便，有利于相关太赫兹器件的生产和应用。

技术领域

本发明涉及太赫兹脉冲技术领域，尤其涉及一种自旋太赫兹发射装置及方法。

背景技术

太赫兹(THz)波包含了频率为0.1-10THz的电磁波，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种“探针”来对事务的内部进行深入的研究。随着新材料领域的技术发展，太赫兹技术受到越来越多的重视。太赫兹技术在太赫兹时域光谱、太赫兹成像、太赫兹雷达、太赫兹辐射、通信、生物医学领域都有着广泛的应用前景。

目前，太赫兹技术对高效、高功率、低成本和室温工作的太赫兹辐射源依然具有强烈的需求，常用的太赫兹辐射源主要是基于光子学方法产生的，常用的太赫兹辐射源一般利用碲化锌光整流效应或者低温生长的砷化镓光导天线产生太赫兹脉冲，这两种方法成熟度高，产生的太赫兹脉冲的电场强度高、稳定性好，但是存在制备工艺复杂、成本高昂等缺点，不能实现大规模的生产与应用，因此近来，出现利用自旋实现太赫兹发射突破上述瓶颈，从而实现高效、低成本以及偏振态可控的太赫兹发射源。

该太赫兹发射源主要是利用飞秒激光脉冲照射铁磁层与非铁磁层异质结构产生太赫兹波，铁磁层吸收光能量使电子从费米面下d带跃迁到费米面以上的能带，产生非平衡的电子分布；受激发的自旋向上的电子呈现sp电子特性，自旋向下的电子呈现d电子特性，而自旋向上的电子的迁移率比自旋向下的电子的迁移率高5倍，由此产生从铁磁层到非铁磁层的瞬时自旋极化传输即瞬时自旋流，然后由于逆自旋霍尔效应或逆拉什巴效应，自旋向上和自旋向下的电子被散射到相反方向，注入非铁磁层的瞬时自旋流转变成瞬时的电荷流，从而辐射出太赫兹脉冲。

但是，该太赫兹发射源无法快速改变输出的太赫兹脉冲的极性，不利于相关太赫兹器件的生产与应用，从而使得太赫兹技术无法在太赫兹时域光谱、太赫兹成像、太赫兹雷达、太赫兹辐射、通信、生物医学领域进行更广泛的应用。

发明内容

为了解决目前的太赫兹发射源无法快速改变输出的太赫兹脉冲的极性的问题，一方面，本发明实施例提供一种自旋太赫兹发射装置，该装置包括：飞秒激光器、双层纳米薄膜和电流源；其中，双层纳米薄膜包括互相接触的铁磁层与非铁磁层，铁磁层和非铁磁层均为纳米薄膜；飞秒激光器用于输出泵浦激光并穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；电流源用于向非铁磁层输入电流，以在非铁磁层产生自旋流，自旋流引发自旋轨道矩使铁磁层发生磁性翻转，并从非铁磁层辐射出与第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲。

优选地，飞秒激光器为飞秒激光振荡器、飞秒激光方法器或光纤飞秒激光器，飞秒激光器输出的泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。

优选地，非铁磁层的材料为强自旋轨道耦合材料，强自旋轨道耦合材料为重金属材料或拓扑绝缘材料；其中，重金属材料包括Pt、Ta或W中的一种或多种的组合层；拓扑绝缘材料包括Bi₂Se₃，Bi₂Te₃，BixSb_1-x，Sb₂Te₃或(Bi_xSb_1-x)₂Te₃中的任一种或任一种的合金。

优选地，铁磁层的材料包括过渡金属或过渡金属合金。

优选地，电流源为直流电流源或交流电流源。