ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
OSCILLATOR FOR TERAHERTZ GENERATOR

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для генерации и приема излучения 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.
Известны различные источники терагерцового излучения, использующие эффекты в ферромагнитных средах.
Описан твердотельный источник электромагнитного излучения (RU 2344528 С1, ИРЭ РАН, 20.01.2009) для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Он выполнен в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из ферромагнитных проводящих материалов. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что частота генерируемого сигнала определяется материальными и геометрическими параметрами структуры и внешним магнитным полем, в связи с чем перестройка частоты представляется затруднительной в случае, когда присутствие внешнего магнитного поля нежелательно.
Известен твердотельный источник электромагнитного излучения (RU 2464683 С1, ИРЭ РАН, 20.10.2012), содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, причем контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем. Недостатком устройства, также как и в предыдущем изобретении RU 2344528 С1, является сложность в перестройке частоты генерируемого сигнала.
Из заявки WO 2018017018 (A1), NAT UNIV SINGAPORE, 25.01.2018 известен источник ТГц излучения на основе двуслойной структуры из слоя ферромагнитного металла и слоя немагнитного металла, например, платины или вольфрама, нанометровых толщин. С помощью лазера на ферромагнитный слой перпендикулярно ему посылается импульс излучения, вызывающий возбуждение спин-поляризованных электронов. Данное возбуждение приводит к возникновению спинового тока на пикосекундных масштабах времени, который преобразуется в электрический ток в силу обратного спин-орбитального взаимодействия, обусловленного обратным спиновым эффектом Холла и/или обратными спин-орбитальными моментами. Возникший переменный электрический ток вызывает электромагнитную волну терагерцовой частоты.
Недостатком изобретения является необходимость использования лазера пикосекундной длительности для индукции спиновой динамики, что ограничивает возможности миниатюризации устройства.
Источник ТГц излучения (CN 109256656 A, UNIV SHANDONG, 22.01.2019) описывает наномасштабный осциллятор спинового момента. Он состоит из искусственной антиферромагнитной структуры, немагнитного разделительного слоя и фиксированного магнитного слоя. Фиксированный магнитный слой принимает электрический ток без выделенной спиновой поляризации и преобразует его в спин-поляризованный электрический ток. Искусственная антиферромагнитная структура принимает спин-поляризованный электрический ток, переданный фиксированным магнитным слоем, в результате чего через механизм передачи спинового момента в антиферромагнитной структуре возникает прецессия намагниченности; в результате данной прецессии возникает выходной переменный сигнал. Немагнитный разделительный слой лежит между фиксированным магнитным слоем и искусственной антиферромагнитной структурой для подавления магнитного связывания между ними. Генератор сигналов терагерцовой частоты на основе осциллятора не зависит от приложенного внешнего магнитного поля и может быть управляемым с помощью электрического тока. Недостатком является необходимость пропускания электрического тока через многослойную структуру, что накладывает ограничения на геометрические и материальные параметры структуры.
7
9
2
Наиболее близким к патентуемому является осциллятор ТГц частоты, описанный в ст. Khymyn, R. et al. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like Oscillator Driven by Spin Current. Sci. Rep. 7, 43705; doi: 10.1038/srep43705 (2017). Он включает структуру, состоящую из пленки платины и слоя антиферромагнетика. Пленка платины подключена к регулируемому источнику постоянного тока и параллельно к выходному контуру для съема ТГц излучения. Слой антиферромагнетика выполнен из антиферромагнитного материала с трудной осью анизотропии и слабой анизотропией в легкой плоскости. При пропускании тока порядка 10-10 А/см через пленку платины электроны разделяются в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента тока с одинаковым направлением спинов на границе со слоем антиферромагнетика вызывает перенос спинового момента в слой антиферромагнетика. В слое антиферромагнетика данный спиновый момент взаимодействует с намагниченностью, вызывая ее движение. В свою очередь данное движение намагниченности вызывает переменный спиновый ток в пленке платины в силу спиновой накачки. Спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток в пленке платины в силу обратного спинового эффекта Холла, который и определяет выходной сигнал терагерцовой частоты. Недостатком данного устройства является наличие порогового электрического тока для начала генерации, величина которого определяется параметрами магнитной анизотропии слоя антиферромагнетика и неизменно в представленном устройстве.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания осциллятора для генератора терагерцового излучения, параметры которого могут регулироваться посредством двух независимых управляющих величин: электрического тока и упругой деформации посредством пьезоэлемента, управляемого электрическим потенциалом.
Патентуемый осциллятор для генератора терагерцового излучения включает гетероструктуру на основе слоев антиферромагнитного диэлектрика и платины, образованную на подложке, источник для пропускания постоянного тока по слою платины.
2
3
Антиферромагнитный диэлектрик выбран из числа веществ, обладающих магнитоупругими свойствами, при этом гетероструктура содержит средство для наведения и регулирования полей магнитной анизотропии в антиферромагнитном диэлектрике, выполненное в виде пьезоэлектрического элемента с двумя электродами для подключения к независимому источнику напряжения, при этом первый электрод размещен на внешней поверхности пьезоэлектрического элемента, а другим электродом является упомянутый слой платины, при этом трудная ось магнитной анизотропии антиферромагнитного диэлектрика лежит в плоскости гетероструктуры. Антиферромагнитный диэлектрик представляет собой NiO или alpha-FeO. В качестве подложки может быть использован пьезоэлектрический элемент, при этом гетероструктура образована на его стороне, обращенной к слою антиферромагнитного диэлектрика.
Технический результат - расширение функциональных возможностей регулирования параметров осциллятора посредством двух независимых управляющих величин: электрического тока и упругой деформации посредством пьезоэлемента, управляемого электрическим потенциалом.
Существо изобретения представлено на чертежах, где:
Фиг. 1 - структура осциллятора.
Фиг. 2 - структура осциллятора на пьезоэлектрической подложке.
Фиг. 3 - зависимость величины поля анизотропии в легкой плоскости и величины порогового тока от электрического поля в слое пьезоэлектрика.
Фиг. 4 - зависимость частоты антиферромагнитного резонанса в докритическом режиме колебаний и частоты автоколебаний в сверхкритическом режиме колебаний от плотности электрического тока в слое платины, вычисленная при двух разных значениях электрического поля в слое пьезоэлектрика.
Фиг. 5 - зависимость частоты антиферромагнитного резонанса в докритическом режиме колебаний от величины электрического поля в слое пьезоэлектрика, вычисленная при двух разных значениях плотности электрического тока в слое платины.
Фиг. 6 - зависимость амплитуды выходного сигнала в сверхкритическом режиме колебаний от плотности электрического тока в слое платины, вычисленная при трех разных значениях электрического поля в слое пьезоэлектрика.
На фиг. 1 представлена структура устройства, которое содержит многослойную гетероструктуру 1, содержащую размещенные на подложке 10 последовательно расположенные слой 20 платины, слой 30 антиферромагнетика, слой 40 пьезоэлектрика и электрод 50. Токоподводы 61, 62 соединяют слой 20 платины и электрод 50 с источником 60 постоянного напряжения. Слой 20 платины так же подключен к источнику постоянного тока 70.
2
2
3
Слой 30 антиферромагнетика должен быть выполнен из антиферромагнитного диэлектрика с магнитоупругими свойствами, предпочтительно с трудной осью и слабой анизотропией в легкой плоскости, например, NiO, но подойдет также и MnO или alpha-FeO. В качестве материала для слоя 40 пьезоэлектрика может быть использован пьезоэлектрический диэлектрик без магнитных свойств.
На фиг. 2 представлена структура устройства, в котором слой 40 пьезоэлектрика выполняет функции подложки 10 для слоя 30 антиферромагнетика.
Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.
2
2
3
3
3
Подложка 10 может быть реализована из немагнитного диэлектрика, например: SiO, MgO, AlO, SrTiO, LaAlO или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Толщина подложки варьируется в диапазоне от 100 нм до 10 мм, в расчетах данная величина не участвует. Латеральные размеры неограниченны, но подложка 10 должна быть больше размеров слоя 20 платины и слоя 30 антиферромагнетика.
Слой 20 платины может быть реализован толщиной от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.
2
3
Слой 30 антиферромагнетика может быть реализован из антиферромагнитного диэлектрика, предпочтительно с трудной осью анизотропии и слабой анизотропией в легкой плоскости, например, NiO, alpha-FeO и другие. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.
Слой 40 пьезоэлектрика может быть реализован из пьезоэлектрического диэлектрика без магнитных свойств, например, кристаллического кварца, ниобата или танталата лития, цирконата-титаната свинца и других. Толщина слоя варьируется от 100 нм до 10 мм, но как минимум в 10 раз больше толщины слоя 20 платины и слоя 30 антиферромагнетика для минимизации их воздействия на упругие свойства слоя 40 пьезоэлектрика. Латеральные размеры не ограничены, но должны превышать размеры слоя 10 платины и слоя 20 антиферромагнетика.
Электрод 50 может быть реализован из металла высокой проводимости, например, меди, или платины. Толщина электрода варьируется от 1 нм до 1 мкм, и должна быть много меньше толщины слоя 40 пьезоэлектрика для минимизации воздействия электрода на упругие свойства слоя 40 пьезоэлектрика. Латеральные размеры совпадают с размерами слоя 40 пьезоэлектрика.
Токопроводы 61 и 62 могут быть реализованы из металла высокой проводимости, например, меди, или платины. Предпочтительно, чтобы материалы токопроводов 61, 62, слоя 20 платины и электрода 50 совпадали.
Принцип функционирования осциллятора состоит в следующем. При пропускании постоянного тока от источника 70 тока через слой 20 платины поток электронов разделяется в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента спин-поляризованного тока вблизи контакта между слоем 20 платины и слоем 30 антиферромагнетика вызывает перенос спинового момента в слой 30 антиферромагнетика, где данный спиновый момент взаимодействует с магнитной подсистемой антиферромагнетика, вызывая колебания намагниченности.
В зависимости от плотности электрического тока j в слое 20 платины реализуются разные типы колебаний намагниченности. При токах j меньше критических реализуются малые затухающие колебания намагниченности вблизи частоты антиферромагнитного резонанса (АФМР). При токах j больше критических - реализуются автоколебания намагниченности с частотой, пропорциональной величине плотности электрического тока j. Величина критического тока j определяется эффективностью передачи спинового момента через границу между слоем 20 платины и слоем 30 антиферромагнетика, а также величиной магнитной анизотропии в легкой плоскости в слое 30 антиферромагнетика.
Частоты данных колебаний и их зависимость от плотности электрического тока j показаны на фиг. 3. Магнитные колебания в слое 30 антиферромагнетика вызывают спиновый ток в слое 20 платины через механизм спиновой накачки, после чего спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток в силу обратного спинового эффекта Холла. Данный электрический ток вызывает электромагнитные колебания терагерцовой частоты.
В то же время, при приложении к гетероструктуре управляющего электрического потенциала от источника 60, деформации, возникающие в слое 40 пьезоэлектрика, передаются в слой 30 антиферромагнетика. В антиферромагнетике данные деформации влияют на магнитную подсистему через магнитоупругое взаимодействие, индуцируя поля магнитной анизотропии. Изменение поля магнитной анизотропии, показанное на фиг. 3, приводит к изменению величины критического тока, частоты затухающих колебаний в докритическом режиме колебаний, как видно на фиг. 5, и изменению амплитуды выходного сигнала, как показано на фиг. 6.
Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры осциллятора для генератора ТГц излучения могут регулироваться как посредством пропускания электрического тока через слой 20 платины от источника 70 тока, так и управляющего электрического потенциала, прилагаемого к слою пьезоэлектрика 40 от источника 60 напряжения и, тем самым, расширяются функциональные возможности осциллятора.