Improvement of radiation efficiency of the wideband terahertz-emitter using the spintronics device

利用自旋电子器件提高宽带太赫兹发射器的辐射效率

基本信息

批准号：
20K04599
负责人：
北原英明
金额：
$ 2.75万
依托单位：
University of Fukui
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

磁性金属と非磁性金属のヘテロ構造(スピントロニック素子)をフェムト秒レーザーで光励起することで誘起される超高速のスピン流を起源とするテラヘルツ(THz)放射は、超広帯域特性や広い励起波長で利用可能なことから、新しいTHz波放射機構として注目を集めている。しかし、その励起パワー当たりの放射効率が低いため、実用的なTHz波放射素子として利用されるまでには至っていない。本研究では、高効率なスピントロニックアンテナを開発するため、（ａ）高スピン流ー電流変換効率の得られる金属の組み合わせの探索、（ｂ）金属ヘテロ構造の最適化と作製技術の開発、並びに（ｃ）高効率なTHz放射器の作製を念頭に研究を進めてきた。（ａ）については磁性金属/非磁性金属の組み合わせについての議論を行ったが、既に多数の金属元素の組み合わせが提案されている状況であることから現状で独自の組み合わせ提案は難しく、継続で検討する事となった。（ｂ）については事業者及び共同研究者に依頼して複数のサンプルを作製し最適化を行った。その結果、これまでの報告と若干異なるがよく似た最適値が得られた。（ｃ）としてスピントロニックエミッタ上に金をアンテナパターン状に数百nmの厚さで作製することで放射効率の向上を図ったアンテナを作製した。次年度実験を行い放射特性を調べる予定である。また、スピントロニックエミッタの検出感度向上を目指して磁気変調アンテナマウントを製作した。光チョッパなどの機械的な機器を使用せず、電気的に正負の交流磁場を印加することができるようになったため、これまでの2倍の振幅で検出することが可能となった。この成果は「2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会」及び「第70回応用物理学会春季学術講演会」にて報告を行った。

太赫兹（THz）辐射源于用飞秒激光光学激发磁性和非磁性金属异质结构（自旋电子元件）感应出的超快自旋电流，具有超宽带特性和宽激发波长，因此可以使用。作为一种新的太赫兹波辐射机制而受到关注。但由于其单位泵浦功率的辐射效率较低，尚未被用作实用的太赫兹波辐射元件。在这项研究中，为了开发高效的自旋电子天线，我们将（a）探索提供高自旋电流-电流转换效率的金属组合，（b）开发金属异质结构优化和制造技术，以及（c）研究进行的目的是创建高效的太赫兹辐射器。关于(a)，我们讨论了磁性金属/非磁性金属的组合，但由于已经提出了许多金属元素的组合，目前很难提出原创的组合，因此我们将继续考虑。决定这么做。对于(b)，我们要求经营者和联合研究人员创建多个样本并进行优化。结果，获得的最佳值与迄今为止报告的值略有不同，但非常相似。如图（c）所示，通过在自旋电子发射器上制造厚度为数百纳米的天线图案形式的金，制造了具有改善的辐射效率的天线。我们计划明年进行实验来研究辐射特性。我们还制造了磁调制天线支架，旨在提高自旋电子发射器的检测灵敏度。由于现在可以在不使用光学斩波器等机械设备的情况下通过电施加正负交变磁场，因此可以以两倍于以前的幅度进行检测。这些结果在“日本物理学会北陆分会2022年例行学术会议”和“日本应用物理学会第70届春季学术会议”上进行了报告。