All Optical, Tunable THz Magnonic Devices

所有光学、可调谐太赫兹磁力器件

基本信息

  • 批准号:
    1952957
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-04-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The terahertz portion of the spectrum is the challenging boundary region between higher frequency optical (infra-red) technology and the microwave realm. The terahertz spectrum offers many potential advantages across a range of applications and industries, including communications and information technology, biological imaging and health sciences, chemical sensing and other security applications, and even spaceborne astronomy. This project will examine the fundamental properties of a class of materials called ferrimagnets and use those materials in novel ways to develop a new kind of terahertz source for very high speed communications and information processing applications. This project will examine the properties of ferrimagnets in thin films, at different temperatures and at very high magnetic fields. Furthermore, the unique qualities of ferrimagnets will be used in a novel magnetic device that achieves unprecedented speed by using extremely short pulses of light to excite motion of the magnetic properties of the ferrimagnet. The scientific understanding of the fundamental properties of these materials and their implementation in devices is crucial for the next generation of magnetic devices and ultra-high speed information technology that supports the evolving 21st century digital economy. The research will support two graduate students from under-represented groups in Physics, will expose up to six undergraduates in advanced research, and will help foster collaboration with the graduate program of a Minority Serving Institution.One promising approach to realize practical terahertz (THz) electronics relies on spintronics, which extends and amplifies the properties of conventional electronics via the manipulation of electron spin. The proposed novel device architecture will significantly narrow the bandwidth of spintronic THz sources of while also providing for wide tunability of the carrier frequency. The core of the proposed device is a magnetic tri-layer system consisting of a Polarizer layer, a non-magnetic spin transport layer, and an Emitter layer, all grown on optically transparent substrates. The THz carrier frequency is governed by spin wave modes in the Emitter layer and the frequency of the spin waves is determined by magnetic properties (saturation magnetization, g-factor, spin wave stiffness, etc.) of the Emitter. Ferrimagnetic materials enable a very large degree of control of magnetic properties of the Emitter and hence in the frequency of the THz emission. The THz scale dynamics of these prototype all-optical devices will be studied with fs time-resolved magneto-optic Kerr effect [tr-MOKE] and slower spin dynamics will be investigated with ferromagnetic resonance [FMR]. Moreover, the ferrimagnetic dynamics will be examined in detail using element-specific spectroscopic techniques (x-ray detected FMR [X-FMR] and fs-scale high harmonic generation [HHG]). The research will address three fundamental issues: (1) Understanding in detail the competing exchange interactions that give ferrimagnets their unique properties; (2) Harnessing these properties for the improvement of spintronic THz emitters; and (3) Modifying the THz-scale magnetic response using extreme magnetic fields.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
频谱的太赫兹部分是高频光学(红外)技术和微波领域之间具有挑战性的边界区域。 太赫兹频谱在一系列应用和行业中提供了许多潜在优势,包括通信和信息技术、生物成像和健康科学、化学传感和其他安全应用,甚至星载天文学。 该项目将研究一类称为亚铁磁体的材料的基本特性,并以新颖的方式使用这些材料来开发一种用于超高速通信和信息处理应用的新型太赫兹源。 该项目将研究薄膜中亚铁磁体在不同温度和极高磁场下的特性。 此外,亚铁磁体的独特品质将被用于新型磁性装置中,该装置通过使用极短的光脉冲来激发亚铁磁体的磁性运动,从而实现前所未有的速度。对这些材料的基本特性及其在设备中的应用的科学理解对于支持不断发展的 21 世纪数字经济的下一代磁性设备和超高速信息技术至关重要。 该研究将支持两名来自物理学领域代表性不足群体的研究生,让多达六名本科生参与高级研究,并将有助于促进与少数族裔服务机构的研究生项目的合作。一种实现实用太赫兹(THz)的有希望的方法电子学依赖于自旋电子学,它通过操纵电子自旋来扩展和增强传统电子学的特性。 所提出的新颖器件架构将显着缩小自旋电子太赫兹源的带宽,同时还提供载波频率的广泛可调性。 该器件的核心是一个磁性三层系统,由偏振器层、非磁性自旋传输层和发射器层组成,所有这些都生长在光学透明基板上。太赫兹载波频率由发射器层中的自旋波模式控制,而自旋波的频率由发射器的磁特性(饱和磁化强度、g 因子、自旋波刚度等)决定。 亚铁磁材料能够在很大程度上控制发射器的磁特性,从而控制太赫兹发射的频率。这些原型全光器件的太赫兹尺度动力学将通过 fs 时间分辨磁光克尔效应 [tr-MOKE] 研究,而较慢的自旋动力学将通过铁磁共振 [FMR] 研究。此外,将使用特定元素的光谱技术(X 射线检测 FMR [X-FMR] 和飞秒级高次谐波产生 [HHG])详细检查亚铁磁动力学。该研究将解决三个基本问题:(1)详细了解赋予亚铁磁体独特性质的竞争交换相互作用; (2) 利用这些特性来改进自旋电子太赫兹发射器; (3) 使用极端磁场修改太赫兹尺度的磁响应。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Elastically induced magnetization at ultrafast time scales in a chiral helimagnet
手性螺旋磁体中超快时间尺度的弹性感应磁化
  • DOI:
    10.1103/physrevb.106.035103
  • 发表时间:
    2022-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Hengzhou Liu;M. Trinh;E. M. Clements;D. Sapkota;Ling Li;Zachary Romestan;S. Bhat;V. Mapara;A. Barua;Samuel Langelund Carrera;M. Phan;D. Arena;H. Srikanth;D. M;rus;rus;A. Romero;D. Karaiskaj
  • 通讯作者:
    D. Karaiskaj
Enhanced optical mode coherence in exchange coupled soft magnetic multilayers
交换耦合软磁多层膜中增强的光学模式相干性
  • DOI:
    10.1063/5.0093827
  • 发表时间:
    2022-06-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    H. Liu;Agne Ciuciulkaite;V. Kapaklis;D. Karaiskaj;D. Arena
  • 通讯作者:
    D. Arena
Macrospin model of an assembly of magnetically coupled core-shell nanoparticles
磁耦合核壳纳米颗粒组装体的宏观自旋模型
  • DOI:
    10.1103/physrevb.106.104402
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Kons, Corisa;Srikanth, Hariharan;Phan, Manh;Arena, D. A.;Pereiro, Manuel
  • 通讯作者:
    Pereiro, Manuel
Tunable competing magnetic anisotropies and spin reconfigurations in ferrimagnetic Fe100−xGdx alloy films
亚铁磁性 Fe100−xGdx 合金薄膜中可调节的竞争磁各向异性和自旋重构
  • DOI:
    10.1103/physrevb.104.094404
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Chanda, A.;Shoup, J. E.;Schulz, N.;Arena, D. A.;Srikanth, H.
  • 通讯作者:
    Srikanth, H.
Sputter Gas Damage in Nanolayered Pt/Co/Ir-based Synthetic Antiferromagnets for Top-Pinned Magnetic Tunnel Junctions
用于顶部钉扎磁隧道结的纳米层 Pt/Co/Ir 基合成反铁磁体中的溅射气体损伤
  • DOI:
    10.1021/acsanm.2c03917
  • 发表时间:
    2022-12-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.9
  • 作者:
    C. Taylor;Marzieh Savadkoohi;Pawan Tyagi;J. Shoup;D. Arena;J. Borchers;J. Eckert;D. Gopman
  • 通讯作者:
    D. Gopman
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Dario Arena其他文献

A compact apparatus for studies of element and phase-resolved ferromagnetic resonance.
用于研究元素和相位分辨铁磁共振的紧凑装置。
  • DOI:
    10.1063/1.3190402
  • 发表时间:
    2009-05-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Dario Arena;Y. Ding;E. Vescovo;S. Zohar;Y. Guan;William E. Bailey
  • 通讯作者:
    William E. Bailey
Message From the CEFC Editor-in-Chief
CEFC 主编致辞
  • DOI:
    10.1080/09205071.2016.1237896
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Adeyeye;Stephane Mangin;Dora Altbir;Manfred Ruehrig;Yukiko Kubota;Ruben Sommer;Chih;Albertini;Dario Arena;Elke Arenholz;James Chang;Andrii Chumak;Cindi Dennis;Peter Eames;Laura;H.;Lewis;Johnson;M. Kuepferling;Shikha Jain;N. Lupu;MYUNG;Markus Münzenberg;P. Stamenov;Cajetan;Nlebedim;Carlos Vaz;Philip Pong;Jinbo Yang;Jiang Quan;D. Wei;Raju Vijayaraghavan Ramanujan;Yukihiro Yoshida;Hossein
  • 通讯作者:
    Hossein
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驱动层间耦合磁涡旋的相干性和模态
  • DOI:
    10.1038/ncomms4760
  • 发表时间:
    2014-04-30
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    J. Pulecio;P. Warnicke;Shawn Pollard;Dario Arena;Yimei Zhu
  • 通讯作者:
    Yimei Zhu
Message From the CEFC Editor-in-Chief
CEFC 主编致辞
  • DOI:
    10.1109/tmag.2017.2698925
  • 发表时间:
    2017-05-25
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Adeyeye;Stephane Mangin;D. Altbir;M. Ruehrig;Yukiko Kubota;Ruben Sommer;Chih;Albertini;Dario Arena;Elke Arenholz;James Chang;Andrii Chumak;Cindi Dennis;Peter Eames;Laura;H.;Lewis;Johnson;M. Kuepferling;Shikha Jain;N. Lupu;M. Jung;M. Münzenberg;P. Stamenov;Cajetan;Nlebedim;Carlos Vaz;P. Pong;Jinbo Yang;Jiang Quan;D. Wei;Raj K. Ramanujan;Y. Yoshida;Hossein
  • 通讯作者:
    Hossein
ELEMENT-SPECIFIC MAGNETIC PROPERTIES OF CO2MNSI THIN FILMS
CO2MSI 薄膜的元素特定磁性
  • DOI:
  • 发表时间:
    2005
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    S. Stadler;D. Minott;D. Harley;J. Craig;Mahmud Tareq Hassan Khan;I. Dubenko;Naushad Ali;K. Story;J. Dvorak;Y. Idzerda;Dario Arena;Vincent G. Harris
  • 通讯作者:
    Vincent G. Harris

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  • 作者:
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