太赫兹自旋光电子
太赫兹自旋光电子专题编者按
DOI: 10.7498/aps.69.200101
太赫兹辐射在电磁波谱上位于红外和微波之间, 频率通常划定为0.1—10.0 THz. 太赫兹光子能量低(约4.1 meV (1 THz)), 对应半导体带内载流子动力学和非线性光学效应所需能量, 对应关联电子体系中众多重要的单粒子和集体激发能量尺度, 对应液态水氢键网络的慢弛豫转动能级, 生物大分子集体振动频率, 宇宙大爆炸背景辐射的主要能量等. 太赫兹技术不仅可用于研究关联电子体系的量子多体问题, 水科学和复杂生物体系的能量转移和转化问题, 宇宙起源和生命起源的本质问题, 而且在移动通信、检测病毒、医疗成像、安检反恐、探索宇宙等方面有着极其重要的应用前景.随着5G 的普及, 6G 应用已提上日程. 6G 将全面进入太赫兹时代, 太赫兹技术也逐渐走进了大众的视野, 成为人类认识世界的“第三只眼睛”.
1971 年, 人们在铌酸锂晶体中获得了人类历史上第一束太赫兹脉冲激光. 经过近半个世纪的快速发展, 虽然部分太赫兹技术已逐步从实验室研究向应用阶段过渡, 但太赫兹领域的关键瓶颈问题依然没有得到很好的解决. 高效率辐射源、高灵敏度探测器和功能器件的缺乏, 直接阻碍了太赫兹科学与技术的发展, 成为电磁场与电磁波领域的关键核心问题之一. 事实上, 一个国家的太赫兹技术水平很大程度上取决于该国的太赫兹源水平, 进而牵动了其他相关领域的发展.
由于太赫兹源的缺乏, 现有太赫兹研究大多处于弱场被动检测的线性区, 然而产生强场太赫兹辐射并用其驱动物质发生相变或精确操控物质量子状态已经成为太赫兹领域重要发展方向.
自旋电子学与太赫兹科技在近二十年来经历了它们狂热的青春期, 都领略着自己空前繁荣的辉煌时代. 随着学科交叉融合的深入, 太赫兹与自旋电子学的联手正在创造更多的惊喜. 例如, 1) 超快激光泵浦的自旋激发太赫兹辐射为低成本、超宽带、易集成、偏振可调谐的太赫兹辐射源提供了思路; 2) 太赫兹时域光谱技术及其与低温和强磁场的结合, 为磁性系统自旋动力学表征和研究提供了新的方法; 3) 利用强太赫兹辐射的电场或磁场分量对磁性或其他物质系统实现非绝热量子状态调控是令人非常着迷而热门的研究课题.
为进一步促进国内同行的交流, 《物理学报》组织出版了“太赫兹自旋光电子”专题, 邀请活跃在本领域的部分专家, 从太赫兹与自旋体系的物理和材料方面, 以不同的视角介绍本领域的最新进展和未来趋势. 鉴于太赫兹科学与技术和自旋电子学属于交叉学科, 具有多样性及复杂性的特点,本专题只能重点介绍太赫兹自旋光电子领域的部分研究成果, 与读者和同行分享. 从研究内容上,目前可大致分为两类: 一是探索自旋太赫兹发射物理规律, 寻找下一代新型太赫兹辐射材料; 二是探索太赫兹电磁场和电磁波与自旋材料的相互作用物理和应用.
希望本专题能有助于扩大太赫兹自旋光电子学在海内外华人学者中的影响, 吸引更多学者, 尤其是年轻学者的关注和加入, 为我国在本领域的蓬勃发展增添新生力量.
2020, 69 (20): 200703.
doi: 10.7498/aps.69.20200623
摘要 +
太赫兹频段在电磁波谱上位于红外和微波之间, 兼具宽带性、低能性、高透性、指纹性等诸多优势特性, 在航空航天、无线通信、国防安全、材料科学、生物医疗等领域具有重要的应用前景. 太赫兹科学与技术的发展和应用在很大程度上受限于源的水平, 新型太赫兹辐射源的机理研究和器件研制至关重要. 自旋太赫兹发射不仅从物理上提供了操控飞秒自旋流的可能, 而且有望成为下一代超宽带、低成本、高效率新型太赫兹源的优选. 本文系统地综述了自旋电子太赫兹源的发展历程、实验装置、发射机理、材料选择, 以及前景展望, 重点介绍了飞秒激光诱导的超快自旋流、铁磁和非磁界面的自旋电荷转换以及太赫兹发射等物理机制方面的研究进展. 本文还分别介绍了基于重金属、拓扑绝缘体、Rashba界面和半导体等体系的自旋电子太赫兹源.
2020, 69 (20): 200704.
doi: 10.7498/aps.69.20200680
摘要 +
利用飞秒激光脉冲激发铁磁/非磁异质结构有望实现高效太赫兹辐射, 从而打破制约太赫兹技术快速发展的瓶颈. 拓扑绝缘体是一种新型二维材料, 其自旋霍尔角远大于重金属材料, 可以与铁磁层结合构成自旋太赫兹发射器. 为了研究拓扑绝缘体/非磁异质结中的太赫兹产生和调控机理, 本综述从飞秒激光激发的超快光电流响应入手, 结合拓扑绝缘体的晶体结构与电子结构, 分析了拓扑绝缘体薄膜中的太赫兹发射机理, 揭示了不同非线性效应产生的超快光电流随外界条件的依赖关系, 证实了使用多种手段调控拓扑绝缘体出射非线性太赫兹辐射的可能性; 以铁磁/重金属异质结为例, 探究了自旋太赫兹发射器的优势与调控方法. 结合这两种发射机理, 通过非线性太赫兹与自旋太赫兹的合成作用, 可以实现在拓扑绝缘体/铁磁异质结中偏振可调谐的太赫兹发射.
2020, 69 (20): 204202.
doi: 10.7498/aps.69.20200715
摘要 +
太赫兹技术在成像、传感和安全等方面展现出了巨大的应用潜力和价值. 传统的固态宽带太赫兹源主要依赖于非线性光学晶体和光电导天线, 而下一代太赫兹技术的一个主要挑战是开发高效、超宽带和低成本的太赫兹源. 最近几年, 基于自旋电子学的金属磁性异质结太赫兹源获得了很大关注. 本文首先将对该类太赫兹源涉及的物理机理进行讨论, 主要包括超快退磁和自旋-电荷转换. 然后对该类源的效率提升做了探讨, 具体的优化方向体现在三个方面: 薄膜材料选择(含生长过程控制)、薄膜厚度和薄膜结构设计. 文章最后给出简单总结和该领域的展望.
2020, 69 (20): 208501.
doi: 10.7498/aps.69.20200866
摘要 +
半导体自旋电子学是凝聚态物理研究中重要的研究领域之一, 在20多年的发展历程中交叉了多学科领域, 其中结合了磁性材料和半导体材料复合结构而开展的关于自旋注入、操纵及光学探测研究的自旋发光二极管展现出丰富的物理性质. 自旋发光二极管的研究涉及自旋注入端和激活区的材料、结构和物理. 本文将从自旋注入、自旋输运和自旋探测三个方面概述自旋发光二极管中所涉及的自旋相关物理, 并进一步介绍自旋发光二极管的研究历程及其最新结果进展, 最后进一步对未来研究趋势进行展望.
2020, 69 (20): 208705.
doi: 10.7498/aps.69.20200757
摘要 +
自旋太赫兹源基于铁磁/非磁纳米薄膜异质结构中的超快自旋流-电荷流转换产生太赫兹脉冲, 具有超宽频谱、固态稳定、偏振可调、超薄结构、成本低廉等独特优点, 近年来引起很大的关注. 本文首先简要介绍太赫兹波、太赫兹自旋电子学及自旋太赫兹源; 其次从自旋太赫兹源的性能提升、调控及其应用3方面对其研究进展进行详细的综述, 分别为: 1)基于自旋太赫兹源产生太赫兹的3个过程—超快自旋输运、光学激发、太赫兹出射的性能提升方法, 2)自旋太赫兹源偏振和频谱的主动调控, 3)自旋太赫兹源在太赫兹超宽谱测试、磁结构检测及成像、太赫兹超分辨近场成像等方面的应用; 最后总结全文, 指出自旋太赫兹源目前存在的问题, 并展望其发展方向.
2020, 69 (20): 200702.
doi: 10.7498/aps.69.20200526
摘要 +
系统研究了退火效应对飞秒激光脉冲驱动的基于钴铁硼/重金属异质结辐射太赫兹波的影响. 通过对发射样品进行退火处理, 在钨/钴铁硼结构中观察到三倍增强的太赫兹波辐射, 而铂/钴铁硼结构中太赫兹波的强度也获得了双倍提升. 通过太赫兹时域光谱系统对异质结样品的透射测量和四探针法电阻率测量实验, 验证了退火效应的主要机理可能源于材料结晶引起的热电子平均自由程增加, 以及材料对太赫兹波的吸收降低. 本研究不仅加深了对自旋太赫兹辐射机理的理解, 而且为研制高性能太赫兹辐射源及其应用有一定的贡献.
2020, 69 (20): 200705.
doi: 10.7498/aps.69.20200634
摘要 +
自旋太赫兹源作为一种新型太赫兹辐射源, 以其高效率、超宽带、低成本、易集成等优点已成为太赫兹科学与应用领域的研究热点. 本实验报道了晶圆级磁控溅射生长的多晶拓扑绝缘体Bi2Te3和铁磁体CoFeB双层异质结纳米薄膜发射太赫兹电磁波, 并对太赫兹辐射特性进行了深入而系统的实验研究. 在飞秒激光放大级脉冲作用下, 该异质结呈现出高效率的太赫兹发射, 且辐射偏振可通过外加磁场方向控制. 通过与Pt/CoFeB对比, 研究发现Bi2Te3/CoFeB的发射性能与Pt/CoFeB双层异质结相当. 实验还对生长在不同衬底上的Bi2Te3/CoFeB的发射性能进行了对比研究, 发现MgO衬底上制备的样品具有相对较好的太赫兹辐射性能. 本实验研究不仅对自旋太赫兹发射机理有更加深入的认识, 而且通过样品和结构的优化, 有望获得更高的发射效率, 且该发射器具有大尺寸批量生长、成本较低的优势, 具备商业化应用的潜力.
2020, 69 (20): 204205.
doi: 10.7498/aps.69.20201188
摘要 +
作为典型的相变材料, 二氧化钒因为其接近室温的相变温度一直在金属-绝缘体的转变行为研究中备受关注. 各种不同种类的调制实验研究结果对二氧化钒相变机理的研究都提供了重要的线索. 这些实验不仅能够加深对各种过渡金属氧化物中的不同自旋的电子之间强关联作用的理解, 同时也为潜在应用拓展新的机会. 尽管二氧化钒的相变机制仍存在争议, 但在过去的几十年中, 人们为理解金属-绝缘相变机制付出了巨大的努力, 这都来源于各类二氧化钒调制实验的激励. 本工作在单晶和多晶二氧化钒中, 利用连续激光抽运-太赫兹探测技术对它们的调制机理进行了研究, 发现其在相同抽运通量下对太赫兹脉冲的吸收行为有明显的不同. 在系统地探讨了极具代表性的相变机理之后, 将单晶二氧化钒的相变机理归结为以电子结构为主导的Mott型相变, 将多晶二氧化钒的相变机理归结为以晶格畸变为主导的Peierls型相变. 以往的光学调制大多都是在飞秒激光抽运条件下进行的, 作为一种新的光学调制手段, 该工作是对以往全光调制实验的补充, 相信对二氧化钒相变机理的理解有新的帮助.
2020, 69 (20): 204206.
doi: 10.7498/aps.69.20201545
摘要 +
极性材料中, 电子受激发跃迁会改变材料的电极化矢量, 受到飞秒脉冲激光的激发时, 瞬态变化的电极化矢量会向外辐射电磁波, 产生太赫兹波段的发射谱. 在磁有序体系中, 受到相干激发的自旋波在进动弛豫的过程中, 会辐射相同频率的电磁波. 研究这些材料的太赫兹发射谱, 不仅有助于理解材料的铁电有序和磁有序的动力学过程, 也为寻找新的太赫兹源提供参考. 我们对极性反铁磁体Fe2Mo3O8的太赫兹发射谱进行了研究, 在800 nm 飞秒激光的泵浦下, 材料中的电子发生跨越能隙的激发, 对电极化矢量产生超快调制, 观察到0.1—3.5 THz的宽带太赫兹激发谱, 太赫兹电场方向沿材料的固有电极化方向. 在进入磁有序后, 观测到两个新的单频太赫兹震荡, 分别位于1.25和2.70 THz, 分别对应Fe2Mo3O8的两个反铁磁自旋波.
2020, 69 (20): 207302.
doi: 10.7498/aps.69.20200682
摘要 +
准二维范德瓦耳斯磁性材料CrSiTe3同时具有本征磁性与半导体能带结构, 在光电子学和纳米自旋电子学领域中具有广泛的应用, 近年来吸引了广大科研工作者的兴趣. 利用超快太赫兹光谱技术, 本文对准二维范德瓦耳斯铁磁半导体CrSiTe3进行了系统的研究, 包括太赫兹时域光谱, 光抽运-太赫兹探测光谱及太赫兹发射光谱. 实验结果表明, 样品的太赫兹电导率随温度的变化表现得十分稳定, 且样品ab面对太赫兹波的响应呈现为各向同性; 800 nm光抽运后的光生载流子表现为一种双指数形式的弛豫变化, 复光电导率可以用Drude-Smith模型很好地拟合, 光载流子的弛豫过程由电子-空穴对的复合所主导; 飞秒脉冲入射到样品表面后可以产生太赫兹辐射, 且具有0—2 THz的带宽. 本文给出了CrSiTe3在光学及太赫兹波段的光谱, 为其在电子及光电子器件方面的设计和优化提供了借鉴与参考.
2020, 69 (20): 207501.
doi: 10.7498/aps.69.20201507
摘要 +
作为典型的具有螺旋磁结构的材料, ZnCr2Se4承载着诸如磁电耦合、磁致伸缩和负热膨胀等有趣特性, 并可能具备多种不同的量子基态. 本文利用太赫兹时域光谱技术研究了ZnCr2Se4在低温强磁场(T = 4—60 K, H = 0—10 T)下的自旋动力学行为. 当外加磁场高于4 T时, 可以观察到亚太赫兹频率范围的磁共振吸收, 并呈现出随磁场增加蓝移特征. 当磁场( H )方向垂直于太赫兹波矢( k )方向时, 仅观察到单个共振吸收, 且其磁场行为符合线性拉莫尔进动关系. 这种磁场依赖性对应传统的铁磁共振, 意味着螺旋自旋态在高磁场下演化为线性铁磁态. 然而, 在 H 和 k 同时平行于样品的$ \langle 111\rangle $ 晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.
2020, 69 (20): 207801.
doi: 10.7498/aps.69.20200031
摘要 +
超快激光可以用来产生和调控拓扑量子材料中的拓扑相变和自旋极化电流, 这些光诱导产生的新奇物性源于材料中受到体系对称性保护的线性色散能带结构的简并节点. 作为一种同时具有两重和三重简并节点的拓扑半金属, 磷化钼(MoP)是一类非常独特的拓扑半金属体系. 本文初步探索了三重简并拓扑半金属晶体MoP中产生自旋极化电流和奇异光学响应的机理, 设计并搭建了以圆偏振光产生并调控光电流的实验装置. 首先采用该装置成功在拓扑绝缘体Bi2Se3中产生了光电流, 与国际上已报道的实验结果对比效果很好, 证明了实验装置的可行性和可靠性; 进而对MoP进行了同样的光电流产生与调控实验. 采用400 nm的圆偏振超快激光脉冲, 在样品不同位置成功观测到了电流信号, 分析认为其为热电流, 不是与三重简并拓扑特性相关的光电流. 这为未来进一步产生和调控光电流提供了重要的研究基础, 对于研究普遍的拓扑量子材料的光电流效应具有可借鉴的意义.
2020, 69 (20): 207802.
doi: 10.7498/aps.69.20201518
摘要 +
利用自研的磁场下太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS), 系统研究了磁场与非磁性Y3+离子掺杂对HoFeO3单晶中自旋态以及自旋重取向的影响. 结果表明Y3+掺杂可以在不改变自旋重取向类型情况下, 有效降低自旋重取向温区, 而且还能降低Ho1–xYxFeO3单晶中低温区准铁磁模式(q-FM, quasi-ferromagnetic mode)自旋共振频率以及提升高温区的准反铁磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)自旋共振频率. 在沿(110)方向施加外加磁场( H DC)的情况下, 一方面, 发现磁场不仅能有效调控Ho1–xYxFeO3单晶中的q-FM共振频率, 而且还能诱导出自旋重取向; 另一方面, 发现温度越接近自旋重取向温区时, 磁诱导自旋重取向的发生越容易, 而且磁诱导效应的临界磁场强度随Y3+离子掺杂浓度而增加. 研究表明, THz光谱数据可以用于检测HoFeO3中Y3+离子的掺杂浓度, 而且Y3+掺杂可以使HoFeO3晶体中的自旋态更加稳定, 不容易受外界磁场的影响. 这一自旋重取向的掺杂效应、磁控效应的研究将有助于理解稀土正铁氧体中的自旋交换作用及其外场调控机制.
2020, 69 (20): 208704.
doi: 10.7498/aps.69.20200733
摘要 +
铁磁/非磁异质结构中的超快自旋流-电荷流转换实现相干太赫兹辐射得到了广泛研究. 热自旋电子学结合了热输运与磁输运, 可以有效地产生和探测自旋的非平衡输运. 本文利用飞秒激光脉冲激发铁磁绝缘体钇铁石榴石(Y3Fe5O12, YIG)/Pt异质结构, 通过超快自旋塞贝克效应(SSE)产生太赫兹(THz)相干辐射. 实验中, THz脉冲的相位随外加磁场和激光入射样品顺序的反转而反转, 表明THz辐射与界面温度梯度的方向密切相关. 为了考察界面对THz辐射性能的影响, 系统地研究了YIG/Pt异质结构不同退火处理后的THz辐射情况. 实验发现, 生长在Gd3Ga5O12 (GGG)衬底上的YIG/Pt经退火处理后再原生一层Pt膜, 其THz辐射强度提高了一个数量级. 归因于退火后增强了YIG/Pt界面的自旋混合电导率. 此外, 还研究了生长在高阻Si衬底上退火后优化结构的能量密度与THz辐射强度的关系, 拟合得到饱和能量密度约为1.4 mJ/cm2. 实验结果表明, YIG/Pt异质结构的界面调控能够优化THz辐射特性, 为基于超快SSE自旋电子学太赫兹发射器开辟了新的途径.
2020, 69 (20): 209501.
doi: 10.7498/aps.69.20200732
摘要 +
太赫兹辐射已经成为研究稀土铁氧化物(RFeO3)的远红外响应和电子自旋特性的有效手段. 本文研究了高通量制备的稀土共掺杂SmxPr1–xFeO3单晶在零磁场下的反铁磁自旋模式(qAFM)和稀土离子的晶体场跃迁. 利用透射型太赫兹时域光谱, 实验测得Sm0.2Pr0.8FeO3和Sm0.4Pr0.6FeO3单晶的qAFM共振频率位于PrFeO3单晶和SmFeO3单晶的qAFM共振频率(分别为0.57和0.42 THz)的连线上. SmxPr1–xFeO3的qAFM模式频率随Sm3+离子掺杂浓度的增大而增大. 实验结果表明, Sm0.4Pr0.6FeO3在160 K左右发生温度诱导的自旋重取向相变. 当晶体温度低于80 K, 晶体场效应导致Sm0.2Pr0.8FeO3的吸收谱在0.5 THz附近出现宽带吸收峰. 目前的研究结果表明, 太赫兹光谱数据有助于检测高通量制备稀土铁氧体的晶体质量和稀土元素含量, 并将提高稀土掺杂对材料物性调控的分析能力.
2022, 71 (9): 090702.
doi: 10.7498/aps.71.20201139
摘要 +
自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来, 电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生. 利用逆Rashba-Edelstein效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi界面得到证实, 而LaAlO3/SrTiO3界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi界面约一个数量级, 但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究. 本文制备了NiFe/LaAlO3//SrTiO3(001)系列样品, 在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应, 并通过改变LaAlO3层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性, 观察到了在LaAlO3/SrTiO3界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱, 为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.
