변칙적인 홀 효과로 인한 테라헤르츠 방출의 직접적인 증거

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5988(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

강자성(FM) 재료의 테라헤르츠(THz) 방출을 담당하는 다양한 메커니즘에 대한 자세한 이해는 효율적인 THz 방출기를 설계하는 데 도움이 됩니다. 이 보고서에서는 단일층 Co\(_{0.4}\)Fe\(_{0.4}\)B\(_{0.2}\)(CoFeB) FM 박막에서 THz 방출에 대한 직접적인 증거를 제시합니다. THz 방출을 담당하는 주요 메커니즘은 AHE(이상 홀 효과)입니다. 이는 FM 층의 인터페이스에서 반사된 스핀 분극 전류에 의해 생성된 FM 층의 순 역류 전류 효과입니다. AHE 기반 CoFeB 이미터의 THz 방출은 레이저 빔의 두께, 방향 및 펌프 플루언스를 변경하여 최적화됩니다. 전기 수송 측정 결과는 전하 캐리어의 스큐 산란이 CoFeB AHE 기반 THz 방출기의 THz 방출을 담당한다는 것을 보여줍니다.

마이크로파 근처와 원적외선 사이에 있는 전자기 스펙트럼 영역은 소위 테라헤르츠(THz) 방사선 또는 THz 갭, 즉 일반적으로 100GHz에서 30THz 사이의 주파수입니다. 테라헤르츠 방사선은 의학, 보안 등 다양한 분야에서 응용됩니다.1,2. 광전도 스위칭, 광 정류, 공기 플라즈마의 일시적 광전류 및 차동 주파수 생성은 THz 방사선 생성에 사용되는 기술을 구성합니다. 또한, 스핀 자유도를 활용하는 자성 재료의 THz 방출은 포논 흡수 갭이 없고 표준 아연 텔루라이드 THz 소스14,15와 비슷한 강도를 갖는 광대역 방사선 생성을 위한 유망한 프레임워크로 최근 인기를 얻었습니다.

스핀 기반 시스템에서 THz 생성을 설명할 수 있는 몇 가지 가능한 메커니즘이 있습니다. Beaurepaire 등16은 1996년에 초고속 감자기(UDM)를 발견했으며, 이는 펨토초(fs) 레이저 펄스 여기에 의해 피코초 미만의 시간 단위로 감자기화될 때 강자성(FM) Ni 필름이 THz 방사선을 생성한다는 것을 보여줍니다. THz 방사선은 이 경우 자화의 두 번째 시간 미분에 비례하며18 FM 층의 두께에 대한 선형 의존성을 보여줍니다. 최근 Kampfrath 등14,19은 iSHE(역 스핀 홀 효과) 또는 iREE(역 Rasbha Edelstein 효과)를 활용하는 THz 생성을 위한 대체 메커니즘을 발견했습니다. 여기서 생성 메커니즘에는 높은 스핀-전하(S2C) 변환 효율을 갖는 FM 층과 비자성(NM) 층으로 구성된 자기 헤테로 구조가 필요합니다. 이 메커니즘에서 THz 방출의 진폭은 S2C 변환 효율에 크게 의존합니다. 최근 THz 방출기는 변칙 홀 효과(AHE) 현상을 활용하는 단일 FM 레이어를 사용하여 설계할 수 있는 것으로 나타났습니다. UDM 메커니즘은 단일 FM 레이어의 벌크 속성에 의존하는 반면, AHE 메커니즘은 인터페이스와 벌크 속성의 결합 효과에 해당합니다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다.

FM 층에 입사할 때 fs 레이저 펄스는 FM 층에서 뜨거운 전자를 여기시킵니다. 시스템은 전자-전자, 전자-포논 및 전자-마그논 상호작용을 통해 평형을 달성합니다. 전자-전자 상호 작용에 대한 평형을 달성하기 전에 뜨거운 전자는 \(10^6\) m/s 차수의 속도를 획득하고 FM 층 내에서 초확산 방식으로 이동합니다. 그림 1에 표시된 대로 FM/유전체 인터페이스에 도달하면 전자는 인터페이스에서 다시 반사되어 필름 두께 방향을 따라 순 역류 전류(\(j_{bf}\))를 형성합니다. AHE가 있는 경우 \(j_{bf}\)는 \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\)로 정의된 과도 전류(\(j_t\))로 변환됩니다. ), 여기서 \(\theta _{AHE}\) 및 m은 각각 변칙적인 홀 각도 및 자화 방향입니다. 순 역류 전류는 인터페이스의 유전 특성, 거칠기 및 FM 층의 특성(예: \(\theta_{AHE}\) 및 m)에 따라 달라집니다.