Спинтронный детектор терагерцовых колебаний на основе наногетероструктуры антиферромагнетик - тяжелый металл
SPINTRONIC TERAHERTZ OSCILLATION DETECTOR BASED ON THE ANTIFERROMAGNETIC MATERIAL - HEAVY METAL NANOHETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для детектирования колебаний в диапазоне частот 0,1-5 ТГц.
Известно, что терагерцовое излучение характеризуется частотным диапазоном длин волн 1-0,1 см и соответствующим диапазоном частот 0,3-3 ТГц. Данное излучение имеет широкое практическое применение в медицине и устройствах безопасности, а также для спектроскопии веществ и в астрономии.
Известен выпрямитель антиферромагнитного спинового тока, описанный в ст. Khymyn R. et. al. Antiferromagnetic spin current rectifier. AIP Adv. 7, 055931; doi: 10.1063/1.4977974 (2017), состоящий из двух слоев: антиферромагнитного материала и тяжелого металла. Протекающий через слой тяжелого металла входной переменный ток с помощью спинового эффекта Холла генерирует переменный спиновый ток в антиферромагнитном слое. Выпрямленный спиновый ток с помощью обратного спинового эффекта Холла индуцирует электрическое поле в направлении перпендикулярном слою тяжелого металла, что приводит к появлению электрического напряжения на противоположной стороне слоя тяжелого металла. Недостаток этого устройства заключается в невозможности перестройки частоты такого детектора.
Описан терагерцовый детектор (CN 209927303 U, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 10.01.2020), основанный на вращающем моменте антиферромагнитной спиновой орбиты. Он выполнен в виде гетероструктуры, содержащей слой антиферромагнитного материала и слой ферромагнитного материала, выращенной на монокристаллической подложке. Детектор реализует инжекцию спина из слоя ферромагнитного материала в слой антиферромагнитного материала, в котором возникают самовозбуждающиеся колебания вектора Нееля. Внешнее терагерцовое излучение генерирует постоянную интенсивность намагничивания через механизм фазовой синхронизации в слое антиферромагнитного материала, а обнаружение терагерцового сигнала реализуется путем измерения интенсивности намагничивания слоя антиферромагнитного материала. Недостаток этого устройства заключается в невозможности перестройки частоты такого детектора.
Наиболее близким в патентуемому устройству является детектор терагерцового диапазона (CN 110044476 А, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 23.07.2019) на основе гетероструктуры, содержащей слой антиферромагнитного материала, слой немагнитного металла и электродный слой, выращенной на подложке. При воздействии внешнего терагерцового излучения на слой антиферромагнитного материала, в нем возникают колебания вектора Нееля. На границе раздела антиферромагнетик - немагнитный металл происходит преобразование спиновых волн в электрический ток вследствие обратного спинового эффекта Холла. С помощью электродов, расположенных на слое немагнитного металла, можно детектировать напряжение. Недостаток этого устройства состоит в том, что для возникновения колебаний в антиферромагнитном слое необходим источник терагерцового излучения. Кроме того, частоту такого детектора нельзя перестраивать.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания детектора терагерцового излучения, частоту которого можно перестраивать посредством управления постоянным электрическим током.
Детектор терагерцовых колебаний содержит прозрачную для терагерцового излучения подложку, одна поверхность которой открыта для приема переменного терагерцового излучения, а на другой - размещена гетероструктура на основе последовательно расположенных слоя антиферромагнитного материала, первого слоя немагнитного металла, а также приемные электроды.
Дополнительно введен второй слой немагнитного металла, размещенный между подложкой и слоем антиферромагнитного материала, причем антиферромагнитный материал представляет собой одноосный проводящий металлический антиферромагнетик с легкой осью анизотропии, и снабжен токоподводами для пропускания постоянного электрического тока в плоскости слоя для перестройки частоты детектора, а приемные электроды размещены на поверхности первого слоя немагнитного металла и ориентированы перпендикулярно направлению тока по слою антиферромагнитного материала.
Антиферромагнитный материал может быть выполнен из IrMn, а немагнитный металл представляет собой платину.
Технический результат - расширение функциональных возможностей регулирования параметров детектора посредством перестройки частоты постоянным током.
Существо изобретения представлено на чертежах,
где: Фиг. 1 - структура детектора.
Фиг. 2 - зависимость выпрямленного постоянного напряжения от частоты входного воздействия.
Фиг. 3 - зависимость частоты осцилляции от плотности входного постоянного тока.
Фиг. 4 - зависимость чувствительности детектора от плотности входного постоянного тока.
На фиг. 1 представлена структура устройства детектирования терагерцовых колебаний, которое содержит многослойную гетероструктуру, содержащую размещенные на подложке 2 последовательно расположенные первый слой платины 3, слой антиферромагнетика 4, второй слой платины 5 и электроды 6 и 7. Токопровод 9 соединяет второй слой платины 5 и электроды 6 и 7 с вольтметром 8. Первый слой платины 3 подключен к источнику постоянного тока 1 с помощью токопровода 10.
Слой антиферромагнетика 4 должен быть выполнен из одноосного проводящего металлического антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, IrMn.
Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.
2
2
3
3
3
Подложка 2 может быть выполнена из немагнитного диэлектрика, например: SiO, MgO, AlO, SrTiO, LiNbO или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Латеральные размеры неограниченны, но подложка 2 должна быть больше размеров первого слоя платины 3 и слоя антиферромагнетика 4.
Первый слой платины 3 и второй слой платины 5 могут иметь толщину от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.
Слой антиферромагнетика 4 может быть выполнен из одноосного проводящего металлического антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, IrMn. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцевой частоты порядка 100 мкм.
Электроды 6 и 7 могут быть выполнены из металла высокой проводимости, например, золота. Толщина электродов варьируется от 1 нм до 1 мкм.
Токопроводы 9 и 10 могут быть выполнены из металла высокой проводимости, например, меди или платины. Предпочтительно, чтобы токопроводы 9, 10 были выполнены из платины.
Принцип функционирования детектора состоит в следующем.
При пропускании переменного терагерцового сигнала 11 со стороны подложки 2 через первый слой платины 3 поток электронов разделяется в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента спин-поляризованного тока вблизи контакта между первым слоем платины 3 и слоем антиферромагнетика 4 вызывает перенос спинового момента в слой антиферромагнетика 4, где данный спиновый момент взаимодействует с магнитной подсистемой антиферромагнетика, вызывая колебания намагниченности. Колебания намагниченности вызывают переменный спиновый ток во втором слое платины 5 в силу спиновой накачки. Спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток во втором слое платины 5 в силу обратного спинового эффекта Холла. С помощью вольтметра 8 можно детектировать полученное постоянное напряжение со второго слоя платины 5.
Изменение частоты входного тока приводит к резонансной зависимости выходного постоянного напряжения, данная зависимость представлена на фиг. 2. Увеличение плотности входного постоянного тока приводит к изменению частоты резонансных колебаний в режиме выпрямления, как видно на фиг. 3, и изменению чувствительности детектора, как показано на фиг. 4.
Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры детектора терагерцовых колебаний могут регулироваться посредством пропускания электрического тока через первый слой платины 3 от источника тока 1, и, тем самым, расширяются функциональные возможности детектора. Кроме того, возбуждение колебаний намагниченности в слое антиферромагнитного материала происходит за счет пропускания переменного терагерцового сигнала 11 по первому слою платины 3.