PDF《铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射》

2018 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 197202-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 67, No.

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197202 电磁辐射, 并将这种电磁辐射归结于磁性材料 的超快退磁. 同年, Hilton 等[16] 利用飞秒激光脉 冲激发 Fe 薄膜也观测到了 THz 波辐射.

2012 年, Shen 等[17] 研究了 Ni-Fe 合金中超快退磁辐射 THz 峰值与材料磁进动阻尼系数之间的关联.

2015 年, Nishant等[18] 报道飞秒激光脉冲在 Co 薄膜中辐射 THz波, 并且给出薄膜厚度与THz辐射强度的依赖 关系. 2013年, Gorelov 等[19] 在铽镓石榴石(TGG) 磁光晶体中发现基于逆法拉第效应辐射切伦科夫 型THz波.

2015 年, Mikhaylovskiy 等[20,21] 利用飞 秒激光激发稀土铁氧化物 TmFeO3 和ErFeO3 单晶, 通过交换相互作用的超快光调制辐射自旋波 频率的 THz 波. 尽管许多研究表明, 磁有序材料 在飞秒激光辐照下能产生 THz 辐射, 然而基于磁 有序材料的THz辐射强度相比于 ZnTe晶体而言可 忽略不计, 很难成为 THz辐射源的候选材料. 值得 注意的是, 德国科学家 Kampfrath 等[22] 在2013 年 首次利用飞秒激光脉冲激发铁磁/非磁金属异质结 构(Fe/Au 和Fe/Ru), 通过逆自旋霍尔效应实现强 THz 辐射. 通过实验中测到的远场 THz 辐射脉冲, 根据传播函数计算得到近场THz脉冲, 并以之重构 瞬态电荷流动力学, 其超快动力学过程的时间尺度 大约在

1 ps 左右 [22] . 经过铁磁层和非磁金属层材 料的甄选以及样品结构 (包括构成异质结构的每一 层材料厚度) 等的进一步优化, 铁磁/非磁金属异质 结构所辐射的THz波强度已经能与ZnTe晶体相媲 美[23?25] . 特别是厚度为 5.6 nm 的W/CoFeB/Pt 三层膜结构在激光振荡器 (重复频率为

80 MHz) 产生的

10 fs,

1 nJ 的飞秒激光脉冲激发后, 能产 生1―30 THz 频谱上无间断的 THz 脉冲. 研究表 明, 三层膜结构的 THz 能量转换效率甚至优于基 于激光振荡器在 0.25 mm 的GaP(110),

1 mm 的ZnTe(110) 以及光电导天线中的 THz 辐射 [26] . 最 近一系列的研究结果极大地激发了包括自旋电子 学领域、 超快光谱学领域以及THz科学与技术领域 科研人员广泛的研究兴趣 [27?30] . 先前的研究报道中, 所用的飞秒激光器的激发 能量密度小于 0.5 mJ/cm2 , 目的在于展示飞秒激 光振荡器实现高效 THz 辐射的能力. 当然, 对于自 旋电子学的THz发射器而言, 由激光放大器产生的 毫焦级飞秒光脉冲驱动 THz 辐射源的效果和能力 仍有待研究. 本文以飞秒激光放大器输出的

120 fs 激光脉冲入射到铁磁/非磁金属三层膜异质结构中, 产生了实用、 宽带、 偏振可调谐的相干 THz 辐射. 所得THz脉冲宽度约1.2 ps, 频谱范围0―2.5 THz. 通过改变施加的磁场方向, 改变光入射样品中铁磁 和非磁层的顺序, 以及比较两个三层膜结构所辐射 的THz脉冲等实验结果, 证实逆自旋霍尔效应是产 生THz 辐射的主要物理机制. 实验研究 THz 辐射 强度与激发光能量密度的关系, 并比较了基于自旋 流的异质结构和 ZnTe 晶体的饱和光能量密度. 我 们认为异质结构中 THz 辐射的饱和现象可以解释 为高激发能量密度下自旋流在铁磁层和非磁金属 层界面的积累效应.

2 实验室温下, 在双面抛光的熔融石英 (SiO2) 衬底 上, 通过低成本、 高成膜质量的磁控溅射法, 在超真 空腔中 (1 * 10?8 Torr) 生长纳米级厚度的三层膜 异质结构 NM1/FM/NM2. 两层非磁性金属 (NM) 层NM1 为Pt, NM2 为W或者 Ta. 两层 NM 之间 夹一层铁磁 (FM) 层Co20Fe60B20, 如图