来源：加州大学河滨分校 (University of California – Riverside)；太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

美国加州大学河滨分校物理与天文系施静（音译）教授
图片来源：加州大学河滨分校

    美国加州大学河滨分校的一组物理学家发现了一种可以针对极难探测太赫兹电磁波的电检测方法。这一发现将大大提高微芯片上检测设备的小型化与灵敏度。

    太赫兹是电磁波频率的单位: 一千兆赫等于十亿赫兹；一太赫兹等于一千兆赫。频率越高，信息传输越快。以手机为例，它的运行频率只有几十亿赫兹。

    根据近期《自然》杂志的报道，这一发现的基础是反铁磁性物质的磁共振现象。这种反铁磁性物质，也被称为反铁磁体，为超快和基于自旋的纳米设备应用提供了独特的优势。

    该校施静(音译)教授所领导的物理学研究团队，在研究反铁磁性物质的过程中生成出自旋电流，并对其进行了电探测。自旋电流是自旋电子学中的一个重要物理量。为了完成这一壮举，他们对氧化铬进行了太赫兹辐射，来激发磁共振以实现检测。

    在铁磁物质中，譬如条形磁铁，电子自旋指向同一方向，向上或向下，由此产生该物质的集合强度。然而，在反铁磁性物质中，原子的排列却大相径庭，电子的自旋会相互抵消，一半电子的自旋方向与另一半正好相反，一半向上，一半向下。

    电子本身就拥有内在的自旋角动量，它可以像陀螺围绕垂直轴旋进那样运动。当电子的进动频率与作用于电子的外部光源所产生的电磁波频率相匹配时，就会产生磁共振，并表现为更容易检测到的强信号。

    为了达成这一磁共振，加州大学河滨分校联手圣巴巴拉分校，物理学家团队启用圣巴巴拉分校太赫兹科技研究所太赫兹设备0.24太赫兹辐射量，开展测试研究。这一辐射量与氧化铬中电子进动频率相吻合，从而引发磁共振，并生成了自旋电流。研究人员将其转换成直流电压。

    “我们能够证明反铁磁共振可以产生电压，这是一种以前从未被实验过的自旋电子效应。”来自加州大学河滨分校物理与天文系的施静（音译）教授表示。

    施教授目前是能源前沿研究中心自旋与热纳米电子系统（简称SHINES）的负责人，该中心是加州大学河滨分校美国能源部的资助中心。他解释到，太赫兹和太赫兹辐射是探测过程中的一大挑战。目前的通信技术使用的是千兆赫微波。

    “然而，对于更高的带宽，趋势是走向太赫兹微波”他表示, “太赫兹微波的产生并不困难，但它们的探测却极其困难。我们的工作为芯片上的太赫兹检测提供了新的途径。”

    虽然反铁磁性物质在静态上是无趣的，但在动态上，它们却十分有趣。反铁磁性物质中的电子自旋进动比铁磁性物质中的要快得多，从而使其进动频率比铁磁体要高2 - 3个数量级，这势必让更快的信息传输成为可能。

    “反铁磁性物质的自旋动力比铁磁性物质的自旋动力发生时间要短得多，这为潜在的超快器件应用提供了诱人的好处。”施教授进一步补充。

    反铁磁性物质是普遍存在的，而且比铁磁性物质更为丰富。许多铁磁性物质，如铁和钴，氧化后就变成反铁磁性物质。与此同时，许多反铁磁性物质也是低能量损耗的优良绝缘体。施教授的实验室在制造铁磁性物质和反铁磁绝缘体方面具有专业、丰富的经验。

    施教授的科研团队还研发出一种由氧化钴，一种反铁磁绝缘体，组成的双层结构。其上层为金属层，也是用来检测来自氧化钴信号的探测器。

    施教授解释说，氧化钴中的电子仍然保持局部。穿过界面的是电子进动自旋中所编码的信息。“界面十分重要，当然，自旋敏感度也及其关键。”

    研究人员重点研究的是铂与钽作为金属探测器的性能，同时也探测相关自旋的灵敏度。如果氧化钴信号来源于自旋，则铂与钽极性相反。但是，如果信号由加热引起，则两种金属就以相同的极性记录。

    “这是对反铁磁性物质纯粹自旋电流第一次成功的生成与探测，这在自旋电子学中算是一个热点。” 施教授继续表示，“反铁磁性物质自旋电子学是目前能源前沿研究中心自旋与热纳米电子系统（简称SHINES）研究的重点方向。”