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研究人员开发一种手性可调的宽带自旋电子-超表面太赫兹波发射器
发布时间:2021-11-15 21:48:03 阅读:506

来源:国际光学工程学会(SPIE);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 张启宇 编译

在外磁场作用下条纹状自旋电子-超表面太赫兹发射器产生手性太赫兹波的原理图.
来源:Liu et al., doi 10.1117/1.AP.3.5.056002

    太赫兹辐射介于电磁波谱中的红外辐射和微波辐射之间,在基础研究和实际应用中有着独特的优势。产生和操纵宽带手性太赫兹波的能力,对太赫兹波在材料成像、太赫兹传感和医疗诊断方面的应用有着至关重要的作用。同时,这种发射器也为非线性太赫兹光谱以及手性分子和磁性材料的相干控制开辟了新的可能,最终可以实现新药开发和快速储存数据。

    产生和控制圆极化相干太赫兹波有很多种方法。目前所使用的方法有三种:等离子体气体直接产生,加外场或者双色激光组合,非线性晶体、磁性和新型拓扑材料中的特殊频率转换技术,以及无源光学元件的实现。这些方法普遍存在效率低、带宽窄或灵活性差的问题。目前仍需要一种高性能、灵活和经济的解决方案,用于在太赫兹范围内产生和操纵宽带、圆偏振相干波。

    近年来,新型自旋电子太赫兹发射源以其低成本、高可靠性、高效率和灵活多变的特点引起了人们的广泛关注。这种发射源由只有几纳米厚的磁性多层异质结构组成,在外加磁场和激光照射下,在铁磁材料层中激发了纵向自旋流动。然后,由于非磁性层中自旋和轨道之间的强烈相互作用,自旋流转化为横向电荷流,从而产生相干太赫兹波辐射。已成熟的微纳米金属薄膜制造技术使这些自旋电子发射器可以加工成超表面结构,这为应用提供了巨大的潜力。

宽带手性太赫兹波的产生与操纵:(a) 自旋电子-超表面发射器产生的手性太赫兹波电场矢量的典型时间依赖性。将相同条件下的仿真结果描绘下来进行比较。(b) 不同磁场角度(θH)下的与超表面条纹平行(E//)和垂直(E┴)的太赫兹电场参数图。结果表明,在外加磁场作用下,可以连续且灵活地调节太赫兹波的极化状态
来源:Liu et al., doi 10.1117/1.AP.3.5.056002

    据《先进光子学》杂志报道,复且大学的研究人员最近提出并开发了一种新型的自旋电子-超表面太赫兹发射器,该发射器能够以一种高效和高度灵活的方式产生和操纵手性太赫兹波。发射极由多层条状的交变磁异质结构组成。太赫兹辐射是在一个定向的外部磁场下用激光脉冲激励发射器产生的,超表面结构对激光诱导电荷电流的横向各向异性限制导致手性太赫兹波发射。

    研究人员证明,在很宽的太赫兹带宽(1-5THz)内可以实现极好的圆极化(ε>0.75),其产生效率可与商业上可用的非线性晶体相媲美。该设计还允许灵活操纵太赫兹极化状态、螺旋度与磁场。混合太赫兹发射器结合了自旋电子发射器(超宽带、高效、高度灵活)和超表面发射器的优点,在超紧凑平台上强有力的控制发射的太赫兹波的极化状态。

    复旦大学应用表面物理国家重点实验室的陶镇生表示:“这项工作为超表面限定的自旋电子发射器高效产生和控制太赫兹波开辟了一条新途径。将超宽带、高效自旋电子发射器和具有预先设计功能的超表面相结合,可以产生更多类型的发射设备,用于不同的时空太赫兹波形。”他表示,这项科技进展可能最终会产生拥有时间和空间子周期精度的太赫兹任易场。

 
 

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