金属所稀土金属增强太赫兹辐射强度取得新进展

太赫兹（THz）是一种频率介于微波和红外频率之间的电磁波，在生物医疗、材料和通信等诸多领域中有着重要的应用需求。目前，缺乏高效率、高集成度以及易调制的太赫兹辐射源。传统太赫兹产生方式，如光电导天线和电光晶体法，普遍存在着太赫兹能量低、带宽小、成本高和波长依赖等问题。

基于自旋电子学效应的太赫兹产生方式由于具有激光波长依赖度低、超宽带、高效率和高稳定性等诸多优点，现已受到国内外太赫兹研究的密切关注。增强电荷-自旋-轨道自由度之间的转化效率对于提升自旋电子-太赫兹辐射强度至关重要。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部基于过去多年在自旋电子学研究领域的工作积累，通过和中山大学物理学院合作，在多层膜异质结构中引入稀土（RE）金属插层，发现了和稀土种类密切相关的自旋-轨道流转化机制。结果发现，在Pt/CoFeB(/Ti)异质结中，太赫兹的产生主要依靠逆自旋霍尔效应和逆轨道霍尔效应实现自旋-电荷、自旋-轨道-电荷流的转化，从而对外辐射太赫兹脉冲。将稀土金属Nd、Gd和Ho插入到CoFeB和Ti层中间后，稀土的自旋轨道耦合显著地影响了CoFeB-Ti一侧的自旋-轨道流转化过程。具体如下：轻稀土Nd（4f电子壳层少于半满）将负极化的自旋流（-J_S）转化为负极化的轨道流（-J_L），随后在Ti层中转化为负极化的电荷流（-J_C），最终导致含稀土Nd插层样品的太赫兹峰对峰强度（THz p-p）弱于对照样品Pt/CFB/Ti的强度值。反之，重稀土Gd和Ho（4f电子壳层半满及多于半满）将负极化的自旋流（-J_S）转化为正极化的轨道流（+J_L），随后在Ti层中转化为正极化的电荷流（+J_C），从而在含重稀土插层的样品中观察到了增强的太赫兹峰对峰强度。另一方面，对照样品（Pt/CoFeB/RE和Pt/CoFeB/Ti/RE）的太赫兹测量结果可以排除稀土金属自身的自旋-电荷流转化的影响。快速傅里叶变换结果进一步证明，稀土金属Gd有助于提高太赫兹辐射的整体频谱范围和强度。

相关研究成果以“Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd,Gd,and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements” 为题目于9月19日发表在Advanced Functional Materials期刊。

金属所刘龙副研究员和中山大学物理学院蒋天然博士后为论文的共同第一作者，金属所赵晓天项目研究员、中山大学物理学院赖天树教授和金属所刘伟研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、广东省基础与应用研究基金、中央高校基础科研业务基金和金属所创新基金等项目的资助。

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图1. (a)和(b)Pt/CoFeB结构中太赫兹辐射信号图和原理示意图，(c)和(d)Pt/CoFeB/Ti结构中太赫兹辐射信号和原理示意图。

图2. 不同结构样品的太赫兹峰对峰（THz p-p）强度对比。

图3. 稀土金属Nd,Gd和Ho插层对自旋-轨道流转化过程的影响机理图。

图4. Pt/CoFeB/RE/Ti结构的频谱图对比。