一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法技术

本发明专利技术公开一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法，属于太赫兹发射领域。自旋太赫兹发射器为包括铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层的三层结构，反铁磁层采用预设晶相的NiO单晶反铁磁材料、CrSb或Mn3Sn，在飞秒激光的照射下，反铁磁层产生激光冲击磁矩，激光冲击磁矩进动产生自旋极化流，自旋极化流注入至非铁磁层后产生瞬态的电荷流，进而辐射出太赫兹，实现高效自旋太赫兹辐射；进一步通过旋转外磁场方向或通过自旋轨道矩效应对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，实现太赫兹手性的高效调控。实现太赫兹手性的高效调控。实现太赫兹手性的高效调控。

【技术实现步骤摘要】
一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹发射领域，特别是涉及一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法。

技术介绍

[0002]对于太赫兹发射，目前常用的THz源有光电导天线太赫兹源和其他自旋太赫兹源。其中，光电导天线太赫兹源由半导体衬底和电极组成，其工作原理为一束超短脉冲激光聚焦到电极之间的半导体材料上，如果激光光子能量大于半导体衬底材料的能隙宽度，则电子就可以被激发到导带上形成光生载流子，这些光生载流子在偏置电场的作用下运动，在激光穿透深度范围内形成瞬时变化的电流，进而辐射出太赫兹波；对于自旋太赫兹源，一般是由铁磁材料/非铁磁材料异质结组成，其工作原理为当飞秒激光脉冲照射铁磁/非铁磁异质双层膜时，在铁磁层中激发出超快自旋流，当自旋流进入重金属层时，逆自旋霍尔效应使其转变成瞬时电荷流，从而辐射出太赫兹。
[0003]对于自旋太赫兹发射的结构，2018年上海大学金钻明教授提出了基于电子自旋的高效太赫兹发射芯片及其制备方法，该方法将铁磁层/金属层/氧化物势垒层/钉扎层/反铁磁钉扎层为基本的发射结构，在不施加外部磁场的基础上通过控制复合膜结构中不同的材料与薄膜厚度，实现太赫兹辐射效率、带宽及偏振态的调控；2020年，德国奥格斯堡大学物理研究所在铁磁层/非铁磁层/铁磁层/反铁磁钉扎层的结构中，通过改变外置磁场方向，利用隧穿磁阻效应实现太赫兹幅度的调控。
[0004]对于反铁磁/非铁磁异质结产生太赫兹，2019年，清华大学在Mn3Sn/Pt异质结中发射出太赫兹。2021年南京大学在Nio(111)/Pt(W)异质结中成功发射出自旋太赫兹，并已证明该发射不依赖于外磁场；2022年，巴黎萨克雷大学和德国柏林自由大学合作，在NiO(001)/Pt中实现了太赫兹辐射。
[0005]而现有技术具有以下缺点：
[0006]1.目前有反铁磁的太赫兹实验都只聚焦在能否无场发射上，没有关注手性太赫兹的发射；
[0007]2.目前没有反铁磁/铁磁/非铁磁结构的太赫兹发射研究；
[0008]3.目前没有在这个结构上使用自旋轨道矩翻转来控制磁矩的研究。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法，可实现基于自旋材料的太赫兹高效辐射及高效快速的手性调控。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种自旋太赫兹发射器，所述自旋太赫兹发射器包括：铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层；
[0012]非铁磁材料层设置于铁磁材料层与反铁磁层之间；
[0013]所述反铁磁层采用预设晶相的NiO单晶反铁磁材料、CrSb或Mn3Sn；
[0014]在飞秒激光的照射下，反铁磁层产生激光冲击磁矩，激光冲击磁矩进动产生自旋极化流，自旋极化流注入至非铁磁层后产生瞬态的电荷流，进而辐射出太赫兹。
[0015]一种自旋太赫兹发射器的手性调控方法，所述手性调控方法应用前述的自旋太赫兹发射器，所述手性调控方法包括：
[0016]通过旋转外磁场方向或通过自旋轨道矩效应对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，以实现太赫兹手性的调控。
[0017]一种自旋太赫兹发射器的制备方法，包括：
[0018]在衬底上生长铁磁薄膜，或生长反铁磁薄膜；所述反铁磁薄膜为NiO薄膜、CrSb薄膜或Mn3Sn薄膜；
[0019]在铁磁薄膜或反铁磁薄膜上生长非铁磁薄膜；
[0020]在非铁磁薄膜上生长反铁磁薄膜或铁磁薄膜，形成三层薄膜；
[0021]在退火炉中对所述三层薄膜进行退火，获得包含铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层的自旋太赫兹发射器。
[0022]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0023]本专利技术公开一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法，自旋太赫兹发射器为包括铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层的三层结构，反铁磁层采用预设晶相的NiO单晶反铁磁材料、CrSb或Mn3Sn，在飞秒激光的照射下，反铁磁层产生激光冲击磁矩，激光冲击磁矩进动产生自旋极化流，自旋极化流注入至非铁磁层后产生瞬态的电荷流，进而辐射出太赫兹，实现高效自旋太赫兹辐射；进一步通过旋转外磁场方向或通过自旋轨道矩效应对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，实现太赫兹手性的高效调控。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例二提供的一种自旋太赫兹发射器在外磁场的磁场角度为90
°
时的太赫兹波调控示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例二提供的一种自旋太赫兹发射器在外磁场的磁场角度相对于图1磁场方向改变180
°
后的太赫兹波调控示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例二提供的另一种自旋太赫兹发射器在外磁场的磁场角度为90
°
时的太赫兹波调控示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例二提供的另一种自旋太赫兹发射器在外磁场的磁场角度相对于图3磁场方向改变180
°
后的太赫兹波调控示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例二提供的自旋轨道矩效应对一种自旋太赫兹发射器的太赫兹波调控示意图；
[0030]图6为本专利技术实施例二提供的自旋轨道矩效应对另一种自旋太赫兹发射器的太赫
兹波调控示意图；
[0031]图7为本专利技术实施例三提供的自旋太赫兹发射器的制备方法流程图。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]本专利技术的目的是提供一种自旋太赫兹发射器及其手性调控方法、制备方法，可实现基于自旋材料的太赫兹高效辐射及高效快速的手性调控。
[0034]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0035]实施例一
[0036]本专利技术实施例提供了一种自旋太赫兹发射器，包括：铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层。非铁磁材料层设置于铁磁材料层与反铁磁层之间。反铁磁层采用预设晶相的NiO单晶反铁磁材料、CrSb或Mn3Sn。
[0037]在飞秒激光的照射下，反铁磁层产生激光冲击磁矩，激光冲击磁矩进动产生自旋极化流，自旋极化流注入至非铁磁层后产生瞬态的电荷流，进而辐射出太赫兹。
[0038]本专利技术的自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自旋太赫兹发射器，其特征在于，所述自旋太赫兹发射器包括：铁磁材料层、非铁磁材料层和反铁磁层；非铁磁材料层设置于铁磁材料层与反铁磁层之间；所述反铁磁层采用预设晶相的NiO单晶反铁磁材料、CrSb或Mn3Sn；在飞秒激光的照射下，反铁磁层产生激光冲击磁矩，激光冲击磁矩进动产生自旋极化流，自旋极化流注入至非铁磁层后产生瞬态的电荷流，进而辐射出太赫兹。2.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射器，其特征在于，所述铁磁材料层采用二维铁磁材料或铁磁金属；所述非铁磁材料层采用拓扑材料，所述拓扑材料包括拓扑绝缘体、拓扑半金属或自旋霍尔角大于霍尔角阈值的重金属。3.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射器，其特征在于，所述自旋太赫兹发射器还包括：衬底；所述衬底设置在铁磁材料层或反铁磁层的下方。4.一种自旋太赫兹发射器的手性调控方法，其特征在于，所述手性调控方法应用权利要求1
‑
3任一项所述的自旋太赫兹发射器，所述手性调控方法包括：通过旋转外磁场方向或通过自旋轨道矩效应对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，以实现太赫兹手性的调控。5.根据权利要求4所述的自旋太赫兹发射器的手性调控方法，其特征在于，通过自旋轨道矩效应对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，具体包括：在自旋太赫兹发射器上施加
‑
30MA/cm2～30MA/cm2的电流，对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行180
°
翻转。6.根据权利要求4所述的自旋太赫兹发射器的手性调控方法，其特征在于，通过旋转外磁场方向对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转，具体包括：在自旋太赫兹发射器上施加
‑
200mT～200mT的外磁场，旋转外磁场以对自旋太赫兹发射器中铁磁材料层的磁矩方向进行翻转。7.根据权利要求6所述的自旋太赫兹发射器的手性调控方法，其特征在于，当外磁场的磁场角度为0
°
或180
°
时，自旋太赫兹发射器辐射出的太赫兹波为线偏振；当外磁场的磁场角度大于0
°

【专利技术属性】
技术研发人员：张婕，聂天晓，赵巍胜，杨晴，熊丹荣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：