Y3Fe5O12(YIG)/Pt异质结构中基于超快自旋塞贝克效应产生太赫兹相干辐射研究

铁磁/非磁异质结构中的超快自旋流-电荷流转换实现相干太赫兹辐射得到了广泛研究.热自旋电子学结合了热输运与磁输运,可以有效地产生和探测自旋的非平衡输运.本文利用飞秒激光脉冲激发铁磁绝缘体钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂, YIG)/Pt异质结构,通过超快自旋塞贝克效应(SSE)产生太赫兹(THz)相干辐射.实验中, THz脉冲的相位随外加磁场和激光入射样品顺序的反转而反转,表明THz辐射与界面温度梯度的方向密切相关.为了考察界面对THz辐射性能的影响,系统地研究了YIG/Pt异质结构不同退火处理后的THz辐射情况.实验发现,生长在Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)衬底上的YIG/Pt经退火处理后再原生一层Pt膜,其THz辐射强度提高了一个数量级.归因于退火后增强了YIG/Pt界面的自旋混合电导率.此外,还研究了生长在高阻Si衬底上退火后优化结构的能量密度与THz辐射强度的关系,拟合得到饱和能量密度约为1.4 mJ/cm².实验结果表明, YIG/...     

超快太赫兹自旋光电子学研究进展（特邀）

太赫兹科学技术在光谱、成像、传感、生物医药、安全检测等方面展现出了巨大的应用潜力和价值。基于新材料和新机理,研发高效、超宽带和低成本的太赫兹光子学器件是太赫兹科学技术的重要挑战。近年来的研究表明,太赫兹光子学和超快自旋电子学深度交叉,获得了很大的关注。本文对超快太赫兹自旋光电子学所研究的物理机理和器件设计应用进行讨论。在物理机理研究方面,阐明了太赫兹脉冲为研究超快自旋电子学提供强大工具,实现了太赫兹驱动自旋波,探测自旋输运和超快磁测量。在器件设计与应用方面,介绍了基于自旋的新型太赫兹光子学器件,包括自旋太赫兹辐射源的优化方法,自旋太赫兹调制器的工作原理,自旋太赫兹探测器的设计方案。超快太赫兹自旋光电子学不仅有助于人们理解宏观自旋电子学现象背后的微观物理机制,而且有望实现高效的太赫兹光子学器件和光谱学应用。     

高性能太赫兹发射:从拓扑绝缘体到拓扑自旋电子

利用飞秒激光脉冲激发铁磁/非磁异质结构有望实现高效太赫兹辐射,从而打破制约太赫兹技术快速发展的瓶颈.拓扑绝缘体是一种新型二维材料,其自旋霍尔角远大于重金属材料,可以与铁磁层结合构成自旋太赫兹发射器.为了研究拓扑绝缘体/非磁异质结中的太赫兹产生和调控机理,本综述从飞秒激光激发的超快光电流响应入手,结合拓扑绝缘体的晶体结构与电子结构,分析了拓扑绝缘体薄膜中的太赫兹发射机理,揭示了不同非线性效应产生的超快光电流随外界条件的依赖关系,证实了使用多种手段调控拓扑绝缘体出射非线性太赫兹辐射的可能性;以铁磁/重金属异质结为例,探究了自旋太赫兹发射器的优势与调控方法.结合这两种发射机理,通过非线性太赫兹与自旋太赫兹的合成作用,可以实现在拓扑绝缘体/铁磁异质结中偏振可调谐的太赫兹发射.     

中国科学院超快现象和太赫兹辐射学术研讨会简讯

“中国科学院超快现象和太赫兹辐射学术研讨会”于 2 0 0 2年 7月 2 2日至 2 5日在北京中国科学院物理研究所举行 .本次会议由中国科学院主办 ,中国科学院物理研究所承办 ,中国科学院上海微系统与信息技术研究所、美国伦斯勒理工学院共同协办 .会议的三位主席分别是物理所张杰研究员、美国伦斯勒理工学院的张希成教授和上海微系统与信息技术研究所的封松林研究员 .物理所的翁羽翔研究员担任会议秘书长 .这次大会是我国在超快现象和太赫兹辐射领域组织的第一次专业学术会议 ,是对国内在超快现象和太赫兹辐射领域研究水平的一次较全面的检阅 .…     

飞秒激光泵浦LaAlO3/SrTiO3异质结产生太赫兹波辐射

自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来,电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生.利用逆Rashba-Edelstein效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi界面得到证实,而LaAlO₃/SrTiO₃界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi界面约一个数量级,但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究.本文制备了NiFe/LaAlO₃//SrTiO₃(001)系列样品,在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应,并通过改变LaAlO₃层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性,观察到了在LaAlO₃/SrTiO₃界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱,为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

低温生长砷化镓的超快光抽运-太赫兹探测光谱

本文采用光抽运-太赫兹探测技术系统研究了低温生长砷化镓(LT-GaAs)中光生载流子的超快动力学过程.光激发LT-GaAs薄层电导率峰值随抽运光强增加而增加,最后达到饱和,其饱和功率为54μJ/cm~2.当载流子浓度增大时,电子间的库仑相互作用将部分屏蔽缺陷对电子的俘获概率,从而导致LT-GaAs的快速载流子俘获时间随抽运光强增加而变长.光激发薄层电导率的色散关系可以用Cole-Cole Drude模型很好地拟合,结果表明LT-GaAs内部载流子的散射时间随抽运光强增加和延迟时间(产生光和抽运光)变长而增加,主要来源于电子-电子散射以及电子-杂质缺陷散射共同贡献,其中电子-杂质缺陷散射的强度与光激发薄层载流子浓度密切相关,并可由散射时间分布函数α来描述.通过对光激发载流子动力学、光激发薄层电导率以及迁移率变化的研究,我们提出适当增加缺陷浓度,可以进一步降低载流子迁移率和寿命,为研制和设计优良的THz发射器提供了实验依据.     

基于IrMn/Fe/Pt交换偏置结构的无场自旋太赫兹源

与目前商用的太赫兹源相比,自旋太赫兹源具有超宽频谱、固态稳定以及成本低廉等优点,这使其成为下一代太赫兹源的主要研究焦点.但使用自旋太赫兹源时,通常需要外加磁场使铁磁层的磁化强度饱和,才能产生太赫兹波,这制约了其应用前景.基于此,本文制备了一种基于Ir Mn/Fe/Pt交换偏置结构的自旋太赫兹波发生器,通过Ir Mn/Fe中的交换偏置场和Fe/Pt中的超快自旋流注入与逆自旋霍尔效应相结合,在无外加磁场下产生了强度可观的太赫兹波.在Ir Mn和Fe的界面中插入超薄的Cu,可以使Fe在厚度很薄时零场下实现饱和磁化,并且其正向饱和场最高可达–10 m T,从而进一步提升无场下的太赫兹发射效率.零场下出射的太赫兹波的动态范围超过60 d B,达到可实用化的水平.通过旋转样品,发现产生的太赫兹波的偏振方向也会随之旋转,并且始终沿着面内垂直于交换偏置场的方向.此外,在此交换偏置结构的基础上,引入了一层自由的铁磁金属层Fe,设计了一种以Ir Mn/Fe/Pt/Fe为核心结构的自旋阀太赫兹源,发现产生的太赫兹强度在两层铁磁层反平行排列时比平行排列以及不引入自由铁磁金属层时均大约提升了40%.结果表明,基...     

太赫兹辅助测量铷原子超快量子相干过程的理论研究

太赫兹辅助光电离瞬态测量方法可以分辨超快量子拍频,同时对复杂量子系统的超快密度矩阵演化进行成像.本文依据这种方法提出了一种具体的实验方案,利用紫外脉冲(脉宽为30 fs)和高强度太赫兹脉冲(峰值场强:约1 MV/cm)组成复合探测电场,探测铷原子5S1/2和5P3/2叠加态振荡周期约为2.6 fs的量子拍频过程,量子体系密度矩阵演化的布居项和相干项投影在光电子动量谱的不同位置,可以对密度矩阵演化实现完全信息测量.本文设计的实验方案不需要阿秒高次谐波或自由电子激光等复杂的先进光源,可以成为探索复杂量子体系超快相干动力学过程的新方案.     

超快太赫兹时域光谱系统

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的,该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器,并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐,一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz,为泵浦脉冲;另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz,为探测脉冲,由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差,时间延迟呈周期性变化,其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线,采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时,1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点,在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。     

Coherent phonons, nanoseismology and THz radiation in InGaN/GaN heterostructures

The ultrafast optical photoexcitation of hot electrons and holes in semiconductors by femtosecond laser pulses can trigger coherent phonon oscillations. We discuss the huge coherent acoustic phonons which have been generated in InGaN/GaN heterostructures and epilayers and how they might be used in imaging of surfaces and interfaces in nanostructures. We also discuss the THz radiation emitted from these phonons.     

Generation of adjustable pure spin currents in negative-U systems

Single-particle sequential tunneling is studied through a negative-U center hybridized with a superconducting, a ferromagnetic, and a normal metal electrodes. In stark contrast to the case of positive U, the single-particle tunneling in attractive charging energy is usually prohibited by ground states with electrons in pairs. We find a microscopic mechanism to induce single-particle sates from pair states. As a consequence, in the nonpolarized metal terminal a remarkable pure spin current with no charge currents survives over a wide range of gate- and bias- voltages, which is rather crucial for experimental observation and design of spintronic devices. In addition, a significant spin-filter effect is presented in certain bias regime.     

Perspectives of electrically generated spin currents in ferromagnetic materials

Spin-orbit coupling enables charge currents to give rise to spin currents and vice versa, which has applications in non-volatile magnetic memories, miniature microwave oscillators, thermoelectric converters and Terahertz devices. In the past two decades, a considerable amount of research has focused on electrical spin current generation in different types of nonmagnetic materials. However, electrical spin current generation in ferromagnetic materials has only recently been actively investigated. Due to the additional symmetry breaking by the magnetization, ferromagnetic materials generate spin currents with different orientations of spin direction from those observed in nonmagnetic materials. Studies centered on ferromagnets where spin-orbit coupling plays an important role in transport open new possibilities to generate and detect spin currents. We summarize recent developments on this subject and discuss unanswered questions in this emerging field.     

ZnTe晶体中光学整流产生的THz辐射及其电光探测研究

借助抽运-探测技术研究了ZnTe晶体中光学整流产生的太赫兹(THz)辐射，利用ZnTe晶体的线性电光效应探测THz辐射场分布，观察到了较窄(约为0.2 ps)的THz场分布及相应较宽(响应超过4 THz，半峰宽约为2.4 THz)的THz频谱，并运用琼斯矩阵对实验结果进行了理论拟合. 研究了飞秒激光脉冲波长(750—850 nm)、脉冲宽度(56—225 fs)和晶体旋转与THz辐射产生的关系. 同时改变探测光偏振方向进行偏振调制，并从理论上分析了偏振调制对THz辐射探测的影响. 关键词： THz辐射 光学整流 电光探测 ZnTe     

Coherent spin dynamics in spin-imbalanced ferromagnetic spinor condensates

We study the coherent spin dynamics of a ferromagnetic spinor Bose–Einstein condensate(BEC)in its domain formation process with an arbitrary spin configuration.Through a simplified schematic view of the domain structure,a semiclassical theory that captures the essential dynamics of the system is presented,and the coherent spin mixing dynamics can be understood in terms of oscillation in the phase space diagram.Using the phase diagram analysis method,we identify new phases,including theπphase oscillation and the running phase for the spin-imbalanced ferromagnetic spinor BEC.     

Coherent manipulation of spin squeezing in atomic Bose-Einstein condensate via electromagnetically induced transparency

We propose a scheme to coherently control spin squeezing of atomic Bose-Einstein condensate (BEC) via the technique of electromagnetically induced transparency (EIT). We study quantum dynamics of the mean spin vector and spin squeezing. It is shown that the mean spin vector and spin squeezing of the BEC can be controlled and manipulated by adjusting the external coupling fields or/and internal nonlinear interactions of the BEC. It is indicated that the spin squeezing can be generated rapidly in the dynamical process and maintained in a long time interval. It is found that a larger effective Rabi coupling between atoms and lasers can produce a stronger spin squeezing, and the squeezing can maintain a longer time interval.     

The origin of spin current in YIG/nonmagnetic metal multilayers at ferromagnetic resonance

Spin pumping in yttrium-iron-garnet(YIG)/nonmagnetic-metal(NM) layer systems under ferromagnetic resonance(FMR) conditions is a popular method of generating spin current in the NM layer.A good understanding of the spin current source is essential in extracting spin Hall angle of the NM and in potential spintronics applications.It is widely believed that spin current is pumped from precessing YIG magnetization into NM layer.Here,by combining microwave absorption and DC-voltage measurements on thin YIG/Pt and YIG/NM_1/NM_2(NM_1 =Cu or Al,NM_2 =Pt or Ta),we unambiguously showed that spin current in NM,instead of from the precessing YIG magnetization,came from the magnetized NM surface(in contact with thin YIG),either due to the magnetic proximity effect(MPE) or from the inevitable diffused Fe ions from YIG to NM.This conclusion is reached through analyzing the FMR microwave absorption peaks with the DC-voltage peak from the inverse spin Hall effect(ISHE).The voltage signal is attributed to the magnetized NM surface,hardly observed in the conventional FMR experiments,and was greatly amplified when the electrical detection circuit was switched on.