一种自旋太赫兹发射器论文和设计-聂天晓

全文摘要

本实用新型实施例提供一种自旋太赫兹发射器，至少包括飞秒激光器、拓扑结构薄膜和磁场发生器，所述飞秒激光器输出的泵浦光通过所述拓扑结构薄膜，产生基于所述磁场发生器产生磁场的方向的太赫兹波，所述拓扑结构薄膜包括拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层，并且所述拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层依次排列贴合且构成异质结构。本实用新型实施例提供的发射器结构简单、发射原理简单、发射频率高、脉冲宽度宽、成本低。

主设计要求

1.一种自旋太赫兹发射器，其特征在于，至少包括飞秒激光器、拓扑结构薄膜和磁场发生器，所述飞秒激光器输出的泵浦光通过所述拓扑结构薄膜，产生基于所述磁场发生器产生磁场的方向的太赫兹波，所述拓扑结构薄膜包括拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层，并且所述拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层依次排列贴合且构成异质结构。

设计方案

2.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁层构成双层异质结构。

3.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁层、所述非铁磁层构成三层异质结且使得所述太赫兹波相互增强。

4.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述飞秒激光器具体为飞秒激光振荡器、飞秒激光放大器或光纤飞秒激光器。

5.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述磁场发生器用于产生不同方向不同大小的磁场，以改变产生的太赫兹波的大小和极化状态。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及太赫兹脉冲产生技术领域，尤其涉及一种自旋太赫兹发射器。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波介于远红外和微波之间,覆盖频率范围从0.1—10THz.太赫兹波不仅在医学成像、安全检查、产品检测、空间通信等领域有广泛的应用前景,而且太赫兹脉冲是凝聚态物质中许多低能量元激发的共振探针。太赫兹波具有许多独特性质，比如透射性、安全性、很强的光谱分辨本领等，这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景，包括太赫兹雷达和通信、光谱和成像、无损探伤、安全检测等方面。

然而，太赫兹应用对高效、高功率、低成本、室温工作的太赫兹辐射源依然具有强烈的需求。目前常用的基于光子学方法的太赫兹源主要包括:碲化锌(ZnTe)光整流效应和低温生长的砷化镓(LT-GaAs)光电导天线产生太赫兹脉冲。这两种方法具有成熟度高、产生THz脉冲的电场强度高、稳定性好的优点，但这两种材料制备复杂，较高的成本限制太赫兹器件的广泛应用。因此在现有源的基础上改进，或基于新的物理原理发展满足上述要求的太赫兹辐射源具有重要意义。

自旋电子学是指控制和操纵电子自旋，研究其输运性质及构建新型器件的一门学科。自旋电子学的某些物理现象，如交换型磁振子、反铁磁共振和超快自旋动力学等，其特征频率刚好处于太赫兹频段；这使得太赫兹与自旋电子学相结合，形成了太赫兹自旋电子学这一新兴交叉学科，基于自旋电子学现象和原理，研究人员发现和建立了若干新型的太赫兹波产生方法，主要有：a)自旋注入产生太赫兹波；b)基于反铁磁共振的太赫兹波产生；c)基于超快自旋动力学的太赫兹波产生。

目前，主要利用飞秒激光脉冲照射铁磁\/非磁金属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；由于自旋向上和向下电子态密度明显不一样，结果产生从铁磁层到相邻非铁磁层(钨或铂金)的瞬时自旋极化传输，即瞬时的自旋流；由于逆自旋霍尔效应，自旋向上和向下电子被散射到相反方向，注入非磁层的瞬时自旋流转变成瞬时的电荷流，从而辐射出宽带太赫兹脉冲。然而，尽管许多研究表明,铁磁\/非磁金属异质结构双层在飞秒激光辐照下能产生太赫兹辐射,然而由于钨或铂的自旋霍尔角较小,无法产生足够多的瞬时电荷流，最终太赫兹的辐射效果并不显著。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型实施例提供一种自旋太赫兹发射器。

可选地，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁性层构成双层异质结构。

可选地，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁性层、所述非铁磁层构成三层异质结且使得所述太赫兹波相互增强。

可选地，所述拓扑绝缘体层为Ⅴ-Ⅵ族元素化合物，具体为Bi_{2<\/sub>Se_{3<\/sub>，Bi_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>，Bi_{x<\/sub>Sb_{1-x<\/sub>，Sb_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>，(Bi_{x<\/sub>Sb_{1-x<\/sub>)_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>及其合金。}}}}}}}}}}}}

可选地，所述铁磁层为过渡金属或相应铁磁性合金。

可选地，所述非铁磁层为强自旋轨道耦合材料，且与所述拓扑绝缘体的自旋霍尔角相反。

可选地，所述飞秒激光器具体为飞秒激光振荡器、飞秒激光放大器或光纤飞秒激光器。

可选地，所述磁场发生器用于产生不同方向不同大小的磁场，以改变产生的太赫兹波的大小和极化状态。

本实用新型实施例提供的自旋太赫兹发射器，至少包括飞秒激光器、拓扑结构薄膜和磁场发生器，所述飞秒激光器输出的泵浦光通过所述拓扑结构薄膜，产生基于所述磁场发生器产生磁场的方向的太赫兹波，所述拓扑结构薄膜包括拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层，并且所述拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层依次排列贴合且构成异质结构。本实用新型实施例提供的发射器结构简单、发射原理简单、发射频率高、脉冲宽度宽、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例提供的自旋太赫兹发射器的拓扑结构薄膜的侧视图；

图2为本实用新型实施例提供的在面内磁场中拓扑结构薄膜的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的自旋太赫兹发射器磁铁使铁磁层磁化强度变化的曲线图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

具体地，所述飞秒激光器输出的泵浦激光透过所述拓扑结构薄膜，产生基于磁场方向极化的太赫兹波。所述飞秒激光器输出的泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。

本实用新型实施例以磁场为面内场为例，将拓扑结构薄膜置于一个恒定的面内磁场H内，所述拓扑结构薄膜在磁场作用下产生太赫兹波，具体地，通过超快自旋发射的方式，基于反常自旋霍尔效应，利用外部磁化的方式，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射。

如图1所示，同样的假设磁场为恒定面内场，铁磁层的磁化方向M指向磁场方向。飞秒激光器输出的泵浦激光入射至拓扑结构薄膜的一个面上，铁磁层中会产生方向相反，大小相同的自旋流Js注入拓扑绝缘体层和非磁性层，由于逆自旋霍尔效应，会在两层材料中产生大小相同的电荷流Jc，且由于两种材料的自旋霍尔角相反，两种材料产生的电荷流方向相同，进而产生方向相同，相互增强的太赫兹波。

本实用新型实施例提供的高效新型拓扑保护自旋太赫兹发射器，太赫兹产生于拓扑结构薄膜即拓扑绝缘体层\/铁磁层\/非铁磁层三层纳米薄膜，拓扑绝缘体性质稳定易制备，不受传统太赫兹发射方法中晶体尺寸的限制，且由于其被拓扑保护的表面状态使这种材料具有较大的正自旋霍尔角，在与负自旋霍尔角的非铁磁层结合使用时，可以产生比普通铁磁层\/非铁磁层两层结构更强的太赫兹波。通过材料的甄选以及样品结构优化，三层膜结构的太赫兹能量转换效率甚至优于基于激光振荡器在0.25mm的GaP(110),1mm的ZnTe(110)以及光电导天线中的太赫兹辐射。

本实用新型实施例提供的高效新型拓扑保护自旋太赫兹波发射器基于反常自旋霍尔效应，通过外加一个弱磁场，在拓扑结构薄膜内获得超快自旋电流，从而产生太赫兹脉冲辐射。利用成熟的分子束外延系统即可制备拓扑结构薄膜。无需采用制备大孔径光电导天线的复杂的微纳加工技术，克服了传统的太赫兹脉冲辐射发射器对材料要求高，结构复杂的缺点。

相对于目前新兴的铁磁层\/非铁磁层双层异质结构作为主要材料的太赫兹发射器件，加入拓扑绝缘体层作为互补，利用拓扑绝缘体表面态的拓扑保护特性，增强太赫兹的强度和发射效率。

由于无需外加偏置电压，从而降低了成本，降低了发射器的复杂程度。而且，采用的铁磁纳米薄膜生长技术简单，可大面积制备，与传统的非线性晶体和高导天线相比，极大地降低了发射器的成本。

由于拓扑绝缘体层\/铁磁层\/非铁磁层三层结构薄膜内太赫兹发射机理不依赖于声子，使产生的太赫兹波的频谱宽度仅仅受限于飞秒激光器产生的泵浦激光的脉冲宽度，而与材料本身的声子振动频率和吸收等因素无关，因此可实现超宽带太赫兹脉冲辐射的发射。

可选地，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁性层构成双层异质结构。

在上述实施例的基础上，由于拓扑绝缘体的特殊的能带结构，由于拓扑绝缘体中电子输运过程到其特殊表面态的拓扑保护，所以拓扑绝缘层的材料具有很大的自旋轨道耦合特性，单层拓扑绝缘材料与铁磁性材料组成双层异质结构薄膜时，也可以进行太赫兹波发射。

可选地，所述拓扑绝缘体层与所述铁磁性层、所述非铁磁层构成三层异质结且使得所述太赫兹波相互增强。

在上述实施例的基础上，由于拓扑绝缘体具有正自旋霍尔角，在与铁磁性材料、自旋霍尔角为负的非磁层材料构成三层异质结时，发射的太赫兹波会相互增强。

具体地，通过飞秒激光器输出的脉冲泵浦激光透过拓扑绝缘体层\/铁磁层\/非铁磁层三层结构薄膜产生自旋流，自旋流通过上下两个具有相反的自旋霍尔角的非铁磁材料，产生方向相同的电荷流，进而产生相互增强的太赫兹波。

具体地，所述拓扑绝缘体层为Ⅴ-Ⅵ族元素化合物，具体为Bi_{2<\/sub>Se_{3<\/sub>，Bi_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>，Bi_{x<\/sub>Sb_{1-x<\/sub>，Sb_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>，(Bi_{x<\/sub>Sb_{1-x<\/sub>)_{2<\/sub>Te_{3<\/sub>及其合金。}}}}}}}}}}}}

具体地，所述铁磁层为过渡金属或相应铁磁性合金，例如，铁磁层材料可以是钴铁硼合金(CoFeB)。

具体地，所述非铁磁层为强自旋轨道耦合材料，且与所述拓扑绝缘体的自旋霍尔角相反，例如，非铁磁层可选用具有大的负自旋霍尔角重金属材料，如钨(W)或钽(Ta)。

在本实用新型实施例中，对拓扑结构薄膜的具体形状不作具体限定，可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形或其他不规则形状，只要能使泵浦激光的光斑可以完全照射在薄膜上即可。

本实用新型实施例中仅以圆形三层结构薄膜为例进行说明。由于恒定磁场为沿着薄膜表面内均匀磁场，产生的太赫兹脉冲辐射的偏振态为线偏振态，且偏振方向垂直磁场方向，如图2所示。

可选地，所述飞秒激光器具体为飞秒激光振荡器、飞秒激光放大器或光纤飞秒激光器。

具体地，所述磁场发生器用于产生不同方向不同大小的磁场，以改变产生的太赫兹波的大小和极化状态。

在上述实施例的基础上，在所述拓扑结构薄膜所处的平面内，存在方向平行或垂直于薄膜的磁场，通过改变磁场的方向和大小可以改变产生太赫兹波的大小和极化状态。

在拓扑结构薄膜区域的磁场变化时，铁磁层磁化强度的变化，即随着磁场的变化，铁磁层磁化的方向与大小均会变化，进而影响注入拓扑绝缘体层和非铁磁层的自旋流，最终影响发射太赫兹波的强度和偏振态，如图3所示。

本实用新型实施例还提供一种太赫兹波的产生方法，采用上述的任一发射器来产生太赫兹波。

本实用新型实施例提供的自旋太赫兹发射器及太赫兹波的产生方法，至少包括飞秒激光器、拓扑结构薄膜和磁场发生器，所述飞秒激光器输出的泵浦光通过所述拓扑结构薄膜，产生基于所述磁场发生器产生磁场的方向的太赫兹波，所述拓扑结构薄膜包括拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层，并且所述拓扑绝缘体层、铁磁层和非铁磁层依次排列贴合且构成异质结构。本实用新型实施例提供的发射器结构简单、发射原理简单、发射频率高、脉冲宽度宽、成本低。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM\/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

设计图

一种自旋太赫兹发射器论文和设计

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