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微太中心太赫兹物理团队在自旋太赫兹源的效率提升方面取得重要进展

发布时间:2018-12-07 编辑:冯正 谭为
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近日,中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心(简称微太中心)太赫兹物理团队及其合作者在《AdvancedOptical Materials》(影响因子7.43)上发表题为“HighlyEfficient Spintronic Terahertz Emitter Enabled by Metal–Dielectric PhotonicCrystal”的论文,报道了一种基于金属-介质光子晶体的高效率自旋太赫兹源。该工作同时被科技新闻网站MaterialsViews China以 “金属—介质光子晶体:提升自旋太赫兹源性能的新途径”为题进行了宣传报道(新闻链接:http://www.materialsviewschina.com/2018/11/31287/)。

获得高性能的太赫兹源一直是太赫兹领域研究的热点。基于飞秒激光泵浦的太赫兹源主要有电光晶体、光电导天线、空气等离子体等,但它们在频谱、成本、简便性等方面存在一定瓶颈。2013年,德国FritzHaber Institute的T. Kampfrath等人报道了一种新型的自旋太赫兹源(NatureNanotechnology,2013),利用铁磁/非磁双层纳米薄膜中的超快自旋流注入和逆自旋霍尔效应产生太赫兹波。此新型太赫兹源具有结构简单、成本低廉、偏振可调、频谱宽(>10THz)等优点,但论文中的器件产生效率很低,只有商用ZnTe晶体的1%。在此基础上,国际上多个课题组开展了提升效率的研究,其中德国FritzHaber Institute的T. Seifert等人通过选择大自旋霍尔角的非磁层、优化铁磁/非磁层厚度、构建三层膜结构同时利用前向和后向自旋流等方法,将自旋太赫兹源的产生效率提升到商用ZnTe晶体的等量级水平(NaturePhotonics,2016)。

微太中心太赫兹物理团队在理论上证明,传统的自旋太赫兹源存在一个光学限制,其超薄自旋材料金属层对飞秒激光能量的利用率小于50%,从而限制了太赫兹波产生效率。针对这一问题,团队提出一种金属-介质光子晶体结构,利用激光在结构中的多重散射和干涉,同时抑制自旋材料金属层对激光的反射和透射,成倍地提升了激光的吸收率,从而提升了太赫兹波产生效率。实验结果表明,其激光吸收和太赫兹强度一一对应,并与理论计算高度吻合;相比于现有的自旋太赫兹源,金属-介质光子晶体结构的产生效率提升到原来的1.7 倍,可直接替换商用ZnTe晶体用于太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统中。该工作将光学思想引入自旋太赫兹源的研究中,为其性能提升提供了一种新途径。

中物院微太中心冯正博士为论文的第一作者,谭为博士为通讯作者之一,合作单位包括南京大学、中科院物理研究所、河南师范大学、西南科技大学、中物院流体物理研究所,其中南京大学丁海峰教授、中科院物理研究所蔡建旺研究员为论文的另外两位通讯作者。该工作得到了科学挑战专题、国家自然科学基金、国家重点研发计划等的资助。

图1 上:金属-介质光子晶体自旋太赫兹源示意图;中:太赫兹强度和激光吸收率随光子晶体参数的对应关系;下:传统结构和金属-介质光子晶体自旋太赫兹源强度对比


图2  Materials Views China宣传报道金属-介质光子晶体自旋太赫兹源


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