異常ホール効果から生じるテラヘルツ放射の直接的な証拠

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5988 (2023) この記事を引用

1375 アクセス

1 引用

メトリクスの詳細

強磁性 (FM) 材料におけるテラヘルツ (THz) 放射の原因となるさまざまなメカニズムを詳細に理解することは、効率的な THz エミッターの設計に役立ちます。 このレポートでは、単層 Co\(_{0.4}\)Fe\(_{0.4}\)B\(_{0.2}\) (CoFeB) FM 薄膜からの THz 放射の直接的な証拠を示します。 THz 放射の主なメカニズムは異常ホール効果 (AHE) です。これは、FM 層の界面で反射されたスピン分極電流によって生成される FM 層内の正味逆流電流の効果です。 AHE ベースの CoFeB エミッターからの THz 放射は、その厚さ、方向、レーザー ビームのポンプ フルエンスを変化させることによって最適化されます。 電気輸送測定の結果は、電荷キャリアのスキュー散乱が CoFeB AHE ベースの THz エミッタにおける THz 放射の原因であることを示しています。

近マイクロ波と遠赤外線の間にある電磁スペクトルの領域は、いわゆるテラヘルツ (THz) 放射線または THz ギャップ、つまり通常 100 GHz から 30 THz の間の周波数です。 テラヘルツ放射線は、医療、安全保障などのさまざまな分野で応用されています1,2。 光伝導スイッチング、光整流、空気プラズマ中の過渡光電流、および差周波発生は、THz 放射の発生に使用される技術を構成します 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。 さらに、スピン自由度を利用した磁性材料からのテラヘルツ放射は、フォノン吸収ギャップがなく、標準的なテルル化亜鉛テラヘルツ源に匹敵する強度を持つ広帯域放射を生成するための有望な枠組みとして最近人気が高まっています。

スピンベースのシステムにおける THz 生成を説明できるメカニズムがいくつか考えられます。 Beaurepaireら16は1996年に超高速消磁（UDM）を発見し、フェムト秒（fs）レーザーパルス励起によってサブピコ秒の時間スケールで強磁性（FM）Ni膜が消磁されるとTHz放射が発生することを示した17。 この場合、THz 放射は磁化の 2 番目の時間微分に比例し 18、FM 層の厚さに線形依存性を示します。 最近、Kampfrath ら 14,19 は、逆スピン ホール効果 (iSHE) または逆ラスバ エーデルシュタイン効果 (iREE) を利用する、THz 発生の代替メカニズムを発見しました。 ここで、生成メカニズムには、高いスピン電荷 (S2C) 変換効率を備えた FM 層と非磁性 (NM) 層で構成される磁性ヘテロ構造が必要です。 このメカニズムでは、THz 放射の振幅は S2C 変換効率に大きく依存します。 最近、異常ホール効果 (AHE) 現象を利用する単一の FM 層を使用して THz エミッタを設計できることが示されました 20、21、22、23。 一方では、UDM メカニズムは単一の FM 層のバルク特性に依存しますが、他方では、AHE メカニズムは界面特性とバルク特性の複合効果に対応します。これについては以下でさらに説明します。

fs レーザーパルスが FM 層に入射すると、FM 層内のホットエレクトロンが励起されます。 この系は、電子-電子、電子-フォノン、電子-マグノン相互作用を通じて平衡を達成します。 電子間相互作用に関して平衡に達する前に、ホットエレクトロンは \(10^6\) m/s オーダーの速度を獲得し、FM 層内を超拡散的に移動します 24,25。 図 1 に示すように FM/誘電体界面に到達すると、電子は界面から反射して膜厚方向に沿った正味逆流電流 (\(j_{bf}\)) を形成します25。 AHE が存在すると、\(j_{bf}\) は \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\) として定義される過渡電流 (\(j_t\)) に変換されます。 )、ここで \(\theta _{AHE}\) と m はそれぞれ異常ホール角と磁化方向です。 正味の逆流電流は、界面の誘電特性、その粗さ、および \(\theta _{AHE}\) や m などの FM 層の特性に依存します。