自旋电子新突破——物理学家开发微型太赫兹源

江苏激光联盟导读：

马丁路德大学哈雷-维滕贝格大学（Martin Luther University Halle-Wittenberg-MLU)和柏林自由大学（Freie Universität Berlin）的研究人员在《ACS Applied Nano Materials》上发表了他们的研究，称他们开发了一种产生太赫兹辐射的简单新方法，利用强激光脉冲可控制太赫兹电磁场直接在特定点产生。

微型太赫兹辐射源的示意图

太赫兹辐射介于电磁波谱中的微波和不可见红外辐射之间，应用范围很广，从材料测试到通信和安全技术都是其重要的应用领域。比如在材料学中，它就被用来研究不透明材料。

MLU大学的物理学家Georg Woltersdorf教授解释道：“太赫兹辐射没有电离效应，不会从原子中移除电子，因此与X射线不同，这种辐射不会对健康构成风险。这就是为什么它会被用于机场全身扫描仪。”

到目前为止，太赫兹辐射只能通过相对复杂的设备产生，这也导致了其尚未被广泛应用于研究。Woltersdorf的团队的设计是将过程趋于小型化，并在特定的所需地点产生辐射——比如直接在电子芯片上产生太赫兹辐射。

在实验中，他们使用了一种能产生持续约250飞秒光脉冲的高功率激光器（一飞秒即为一秒的十亿分之一）。这些极短的光脉冲随后被引导到磁性纳米结构上，以激发其内部的电子。这就产生了一个强烈的自旋电流脉冲。简而言之，自旋是电子的内在角动量，构成了磁性的基础。当电子被激发时，所谓的自旋电流流过纳米结构的界面层。逆自旋霍尔效应将其转换成太赫兹电流脉冲。这可最终在芯片上产生所需的太赫兹辐射，可以直接耦合到导线结构中并加以利用。

电信号(红色实线)和电光信号(紫色实线)的测试能谱。

未来该团队可能在此基础上获得更多突破，利用外部磁场可以调节电流的极性。现阶段尚未实现。未来这种微型太赫兹源的应用范围可以从科学研究到高频电子、医学、材料测试和通信技术等多领域。

来源：Hoppe W. et al. On-Chip Generation of Ultrafast Current Pulses by Nanolayered Spintronic Terahertz Emitters. ACS Applied Nano Materials (2021). doi: 10.1021/acsanm.1c01449