一种自旋太赫兹发射装置及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110535003 A(43)申请公布日 2019.12.03

(21)申请号 201910772551.2(22)申请日 2019.08.21

(71)申请人 北京航空航天大学

地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 聂天晓　王海宇　赵海慧　(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限

公司 11002

代理人 苗晓静(51)Int.Cl.

H01S 1/02(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图2页

CN 110535003 A(54)发明名称

一种自旋太赫兹发射装置及方法(57)摘要

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。

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权　利　要　求　书

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1.一种自旋太赫兹发射装置，其特征在于，包括：飞秒激光器、双层纳米薄膜和电流源；其中，所述双层纳米薄膜包括互相接触的铁磁层与非铁磁层，所述铁磁层和所述非铁磁层均为纳米薄膜；

所述飞秒激光器用于输出泵浦激光并穿透所述双层纳米薄膜，并从所述非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；

所述电流源用于向所述非铁磁层输入电流，以在所述非铁磁层产生自旋流，所述自旋流引发的自旋轨道矩使铁磁层发生磁性翻转，并从所述非铁磁层辐射出与所述第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲。

2.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射装置，其特征在于，所述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；所述飞秒激光器输出的所述泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。

3.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射装置，其特征在于，所述非铁磁层的材料为强自旋轨道耦合材料，所述强自旋轨道耦合材料为重金属材料或拓扑绝缘材料；

其中，所述重金属材料包括Pt、Ta或W中的一种或多种的组合层；所述拓扑绝缘材料包括Bi2Se3，Bi2Te3，BixSb1-x，Sb2Te3或(BixSb1-x)2Te3中的任一种或所述任一种的合金。

4.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射装置，其特征在于，所述铁磁层的材料包括过渡金属或过渡金属合金。

5.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射装置，其特征在于，所述电流源为直流电流源或交流电流源。

6.一种自旋太赫兹发射方法，其特征在于，包括：将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；其中，所述双层纳米薄膜包括互相接触的铁磁层与非铁磁层，所述铁磁层和所述非铁磁层均为纳米薄膜；

向所述非铁磁层输入电流，以在所述非铁磁层产生自旋流，所述自旋流引发的自旋轨道矩使所述铁磁层发生磁性翻转，并从所述非铁磁层辐射出与所述第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲。

7.根据权利要求6的所述自旋太赫兹发射方法，其特征在于，所述将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲，还包括：

若所述泵浦激光垂直所述铁磁层入射并在所述铁磁层产生第一瞬时自旋流，则所述第一瞬时自旋流在所述非铁磁层转变为第一电荷流，并从所述非铁磁层辐射出所述第一太赫兹脉冲；

若所述泵浦激光垂直所述非铁磁层入射并在所述铁磁层产生第二瞬时自旋流，则所述第二瞬时自旋流在所述非铁磁层转变为第二电荷流，并从所述非铁磁层辐射出所述第一太赫兹脉冲。

8.根据权利要求7所述的自旋太赫兹发射方法，其特征在于，所述第一瞬时自旋流转变为所述第一电荷流，以及所述第二瞬时自旋流转变为所述第二电荷流，均基于逆自旋霍尔效应或逆拉什巴效应。

9.根据权利要求8所述的自旋太赫兹发射方法，其特征在于，所述向所述非铁磁层输入电流，以在所述非铁磁层产生自旋流，基于自旋霍尔效应或拉什巴效应。

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一种自旋太赫兹发射装置及方法

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技术领域

[0001]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

[0002]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。[0003]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。

[0004]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。[0005]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

[0006]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。[0007]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。[0008]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

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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，BixSb1-x，Sb2Te3或(BixSb1-x)2Te3中的任一种或任一种的合金。[0009]优选地，铁磁层的材料包括过渡金属或过渡金属合金。[0010]优选地，电流源为直流电流源或交流电流源。[0011]另一方面，本发明实施例还提供一种基于上述自旋太赫兹发射装置的自旋太赫兹发射方法，该方法包括：将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲，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；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所述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。[0012]优选地，将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲，还包括：若泵浦激光垂直铁磁层入射并在铁磁层产生第一瞬时自旋流，则第一瞬时自旋流在非铁磁层转变为第一电荷流，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；若泵浦激光垂直非铁磁层入射并在铁磁层产生第二瞬时自旋流，则第二瞬时自旋流在非铁磁层转变为第二电荷流，并从非铁磁层辐射出与第一太赫兹脉冲。[0013]优选地，第一瞬时自旋流转变为第一电荷流，以及第二瞬时自旋流转变为第二电荷流，均基于逆自旋霍尔效应或逆拉什巴效应。[0014]优选地，向非铁磁层输入电流，以在非铁磁层产生自旋流，是基于自旋霍尔效应或拉什巴效应。

[0015]本发明实施例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，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，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。本发明实施例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。附图说明

[0016]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017]图1为本发明实施例的自旋太赫兹发射装置的结构示意图；[0018]图2为本发明实施例的铁磁层磁性翻转前的结构示意图；[0019]图3为本发明实施例的铁磁层磁性翻转后的结构示意图；[0020]图4为本发明实施例的自旋太赫兹发射方法的流程示意图。

具体实施方式

[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是

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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0022]图1为本发明实施例的自旋太赫兹发射装置的结构示意图，如图1所示，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1、双层纳米薄膜和电流源2；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1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2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。

[0023]应当知道的是，双层纳米薄膜中，铁磁层与非铁磁层之间均是以最大面互相接触，即铁磁层的最大面与非铁磁层的最大面互相平行进行接触。[0024]具体地，利用飞秒激光器1输出泵浦激光，使泵浦激光穿透双层纳米薄膜，产生第一太赫兹脉冲；同时，利用电流源2向非铁磁层输入电流，在非铁磁层产生自旋流，自旋流引发自旋轨道矩作用于铁磁层并使铁磁层的磁性发生翻转，由于铁磁层的磁性发生翻转，从而使得非铁磁层中产生与最初的电荷流极性相反的电荷流，由此使得该装置从非铁磁层输出与第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲。[0025]需要说明的是，自旋轨道矩是在铁磁层中产生的，具体为非铁磁层产生自旋流，自旋流引发铁磁层中产生自旋轨道矩。[0026]还需要说明的是，电流源2向非铁磁层输入电流，与飞秒激光器1输出泵浦激光穿透双层纳米薄膜同步进行，或者，电流源2向非铁磁层输入电流，在飞秒激光器1输出泵浦激光穿透双层纳米薄膜之后进行。

[0027]本发明实施例提供的自旋太赫兹发射装置，利用电流源向双层纳米薄膜的非铁磁层通入电流，使得铁磁层的磁性翻转，从而使得非铁磁层中产生与最初的电荷流极性相反的电荷流，由此使得利用飞秒激光器射出的泵浦激光穿透非铁磁层双层纳米薄膜结构输出与最初产生的太赫兹脉冲极性相反的太赫兹脉冲。本发明实施例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。[0028]需要说明的是，飞秒激光器1为飞秒激光振荡器、飞秒激光方法器或光纤飞秒激光器1，飞秒激光器1输出的泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。[0029]还需要说明的是，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，BixSb1-x，Sb2Te3或(BixSb1-x)2Te3中的任一种或任一种的合金。

[0030]进一步地，铁磁层的材料包括过渡金属或过渡金属合金。[0031]进一步地，电流源2为直流电流源或交流电流源。[0032]基于上述实施例，图4为本发明实施例的自旋太赫兹发射方法的流程示意图，如图4所示，本发明实施例还提供一种基于上述自旋太赫兹发射装置的自旋太赫兹发射方法，该方法包括：S1、将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲，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；S2、向

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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。[0033]具体地，图2为本发明实施例的铁磁层磁性翻转前的结构示意图，图3为本发明实施例的铁磁层磁性翻转后的结构示意图，如图2和图3所示，将泵浦激光从任意方向穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；同时，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得铁磁层的磁性翻转，从而使得非铁磁层中产生与最初的电荷流极性相反的电荷流，由此使得该装置输出与第一太赫兹脉冲极性相反的第二太赫兹脉冲。

[0034]需要说明的是，向非铁磁层输入电流，与泵浦激光穿透双层纳米薄膜同步进行，或者，向非铁磁层输入电流，在泵浦激光穿透双层纳米薄膜之后进行。[0035]本发明实施例提供的自旋太赫兹发射方法，利用电流源2向双层纳米薄膜的非铁磁层通入电流，使得铁磁层的磁性翻转，从而使得非铁磁层产生极性相反的电荷流，由此使得利用飞秒激光器1射出的泵浦激光穿透非铁磁层双层纳米薄膜结构输出极性相反的太赫兹脉冲。本发明实施例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。[0036]基于上述实施例，如图2所示，将泵浦激光穿透双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲，还包括：若泵浦激光垂直铁磁层入射并在铁磁层产生第一瞬时自旋流，则第一瞬时自旋流在非铁磁层转变为第一电荷流，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；若泵浦激光垂直非铁磁层入射并在铁磁层产生第二瞬时自旋流，则第二瞬时自旋流在非铁磁层转变为第二电荷流，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲。[0037]具体地，无论将泵浦激光从双层纳米薄膜之外的任意方向入射，均从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲。一般，为了使得泵浦激光充分发挥效用，可以将泵浦激光垂直铁磁层或非铁磁层入射，例如，若将泵浦激光垂直铁磁层入射，则在铁磁层产生第一瞬时自旋流，第一瞬时自旋流在非铁磁层转变为第一电荷流，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；若泵浦激光垂直非铁磁层入射，则透过非铁磁层直接作用于铁磁层，在铁磁层产生第二瞬时自旋流，第二瞬时自旋流在非铁磁层转变为第二电荷流，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲。

[0038]需要说明的是，第一瞬时自旋流转变为第一电荷流，以及第二瞬时自旋流转变为第二电荷流，均基于逆自旋霍尔效应或逆拉什巴效应。向非铁磁层通入电流后，使非铁磁层中的电荷流转变为自旋流，是基于自旋霍尔效应或拉什巴效应。[0039]本发明在逆自旋霍尔效应或逆拉什巴效应的基础上，加入了自旋霍尔效应或拉什巴效应，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，利用成熟的磁控溅射系统能快速制备由互相接触的铁磁层与非铁磁层组成的双层纳米薄膜，无需采用制备大孔径光电导天线的复杂的微纳加工技术产生太赫兹脉冲，有利于相关太赫兹器件的生产和应用。[0040]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和

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范围。

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