ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SOLID-STATE ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCE

Заявляемое устройство предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцовых частот. Устройство позволяет также генерировать излучение в соседних диапазонах частот: субмиллиметровом и инфракрасном. По своему принципу действия его можно отнести к таким быстро развивающимся направлениям современной электроники, как спинтроника и фотоника.
Миниатюрные твердотельные инжекционные лазеры появились в 1960-70 г. [1, 2]. В них применяют полупроводниковые материалы. Они удобны тем, что накачка осуществляется током, который инжектирует носители зарядов в рабочий слой и создает в нем отрицательную температуру. Инжекция происходит через границу раздела двух различных полупроводниковых материалов. Например, электроны, инжектируемые в дырочный материал, рекомбенируют и излучают в оптическом или ИК-диапазоне. Частота излучения зависит от применяемых полупроводниковых материалов. Устройства могут работать при комнатных температурах.
Известен лазер [3], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения, как и выше, возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Отличие только в том, что из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.
12
13
В настоящее время особый интерес вызывает освоение терагерцового диапазона частот (10-10 Гц). Освоение данного диапазона тормозится из-за отсутствия простых и надежных источников такого излучения. Между тем, этот диапазон интересен для применений в диагностике сред, биологии, медицине, для радиосвязи в космосе и в других областях.
7
9
2
Известно устройство [4] для генерации терагерцового излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одного ферромагнитного проводящего материала. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где и возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, и третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за применения одинакового материала для всех слоев в его рабочем слое нельзя создать высокий уровень спиновой инжекции носителей заряда при достижимой рабочей плотности тока 10-10 А/см.
7
9
2
Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [5], в котором указанный недостаток преодолевается за счет использования в устройстве слоев из различных ферромагнитных материалов. Первый слой из ферромагнитного проводящего материала (первый электрод) является инжектором спин-поляризованных электронов. Он контактирует со вторым слоем из ферромагнитного проводящего материала (рабочим слоем). Третий слой выполнен из проводящего материала (второй электрод) и контактирует с рабочим слоем. Для достижения необходимой плотности тока 10-10 А/см, требуемой для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, многослойная структура в таком устройстве выполнена в виде столбика с габаритными размерами и, в частности, периметром границы рабочего слоя в десятки нанометров. Это не позволяет пропускать через такую структуру большие абсолютные величины тока в сотни миллиампер, что, в свою очередь, не дает возможности получить в подобном устройстве достаточно большие для практического применения уровни мощности, а также ухудшает его работоспособность и надежность.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне длин волн, в частности в терагерцовом диапазоне.
Указанная задача решается тем, что в твердотельном источнике электромагнитного излучения, содержащем рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала, контактирующий с рабочим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем, рабочий слой из ферромагнитного проводящего материала расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, второй электрод выполнен в виде массивной пластины со сквозным отверстием, расположенной на поверхности рабочего слоя, а первый электрод выполнен в виде стержня с заостренным концом, вставленного в отверстие упомянутой пластины, так что торец его заостренного конца находится в контакте с рабочим слоем.
Оптимально периметр L торца заостренного конца первого электрода выбирается из условия
n
где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, j - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя.
Для увеличения мощности электромагнитного излучения может использоваться концентратор магнитного поля в виде шайбы из магнитного материала, прижатой к подложке с противоположной от рабочего слоя стороны.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция устройства (вид сбоку), на фиг.2 изображены энергетические спиновые подзоны для электронов, имеющих спины противоположной ориентации. Направление вниз - параллельно намагниченности стержня, направление вверх - антипараллельно намагниченности стержня.
Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения (см. фиг.1) содержит первый электрод 1, выполненный в виде стержня из проводящего ферромагнитного материала с заостренным концом, рабочий слой 2, выполненный из ферромагнитного проводящего материала, нанесенного на диэлектрическую или полупроводниковую подложку 3, второй электрод 4, выполненный в виде массивной проводящей пластины, например, из меди с отверстием 5 для прохода стержня 1 к рабочему слою 2, и концентратор магнитного поля 6 в рабочем слое 2, выполненный в виде шайбы из магнитного материала. Желательно для стержня 1 использовать ферромагнитный материал с высокой, ~1, степенью равновесной спиновой поляризации, например сплавы Гейслера. Для рабочего слоя 2 может быть выбран ферромагнетик с небольшой величиной равновесной спиновой поляризации (меньше ~10%), например пермаллой. Подложка 3 должна быть прозрачна для электромагнитного излучения рабочего диапазона длин волн. Контакт торца заостренного конца стержня 1 с рабочим слоем 2, контакт рабочего слоя 2 со вторым электродом 4, а также контакт магнитного концентратора 6 с подложкой 3 может обеспечиваться как механически, за счет прижима, так и иными способами, например холодной пайкой.
Торец острия первого электрода 1 в плане может иметь произвольную форму (окружность, эллипс, многоугольник и тому подобное). При этом протяженность границы торца - его периметр определяется из условия
n
где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, j - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя 2, которая выбирается соизмеряемой с толщиной скинслоя. Стержень служит для подвода электронного потока и является радиатором, охлаждающим рабочую область слоя 2.
1
2
1
В невозмущенном состоянии намагниченность M стержня 1 (см. фиг.1) направлена вдоль его оси, намагниченность рабочего слоя 2 на подложке 3 лежит в рабочем слое 2 параллельно плоскости подложки 3 и перпендикулярно оси стержня 1. Контакт стержня 1 с рабочим слоем 2 обеспечивает появление в последнем составляющей намагниченности М, параллельной оси стержня 1 и имеющей направленность, противоположную M. Для увеличения этой составляющей используется концентратор 6 магнитного поля, выполненный в виде шайбы из магнитного материала. Внутреннее отверстие шайбы должно соответствовать контуру сечения торца заостренного конца стержня 1. Например, для круглого торца отверстие должно быть круглым. При этом площадь контакта концентратора 6 с подложкой 3 должна быть минимальной. Это достигается тем, что шайба в разрезе имеет вид, например, треугольника, как показано на фиг.1. Возможны и другие варианты формы сечения, например круг, трапеция и т.п.
1
1
1
1
1
1
F↓
F↑
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на первый 1 и второй 4 электроды источника в его цепи возникает электронный поток. Проходя по стержню 1, спины электронов ориентируются главным образом по намагниченности M, то есть происходит его спин-поляризация. Поляризованный по спину электронный поток вытекает из стержня 1 с намагниченностью М и растекается по рабочему слою 2. Большая часть электронов (по оценкам ~70%) имеет спины, параллельные вектору намагниченности стержня М, остальные электроны (~30%) поляризованы в противоположном направлении. Поляризации электронов обозначены на фиг.2 тонкими стрелками. Стрелки, направленные вниз, означают спиновую поляризацию электронов параллельно намагниченности М стержня 1, а стрелки вверх обозначают антипараллельную поляризацию спинов. Выходящий из стержня 1 магнитный поток M направлен вдоль его оси. Он пронизывает рабочий слой 2, а также подложку 3 и уходит вниз. Электроны проводимости в рабочем слое 2 испытывают обменное взаимодействие с магнитным потоком. В результате этого взаимодействия электроны со спинами, параллельными М, опускаются по энергии до уровня, показанного на фиг.2 жирной сплошной линией с минимумом на оси z. Электроны с противоположными спинами увеличивают свою энергию до уровня, показанного штрих-пунктирной жирной линией с максимумом на оси z. Указанные линии показывают фактически энергии покоящихся электронов в подзонах, т.е. дно спиновых подзон. С учетом кинетической энергии инжектированных из стержня 1 электронов они заполняют все состояния между дном подзон и соответствующими квазиуровнями Ферми ε и ε, показанными на фиг.2 тонкими пунктирными линиями.
2
2
Магнитный поток из стержня 1, в силу его непрерывности, возвращается к стержню 1. Иными словами, с внешней стороны стержня 1 должен формируется «замыкающий» магнитный поток, направленный к противоположному торцу стержня 1. Замыкающий поток в рабочем слое 2 вне стержня 1 создается компонентой намагниченности М, которая параллельна оси стержня. На фиг.1 эта намагниченность показана двумя жирными вертикальными стрелками вне стержня. При этом замыкающий магнитный поток, в общем случае, пронизывает плоскость, в которой лежит рабочий слой 2 по площади, не имеющей внешней границы. Это существенно снижает намагниченность М в рабочем слое, а значит и мощность излучения. Ограничить площадь, пронизываемую замыкающим магнитным потоком от стержня 1, можно с помощью концентратора 6 магнитного поля. В этом случае магнитный поток, вытекающий из стержня 1, пройдя рабочий слой 2 и подложку 3, «фокусируется» в объеме концентратора 6. Наибольший эффект от концентратора 6 достигается, когда магнитный поток из концентратора 6 выходит перпендикулярно плоскости подложки 3, пронизывая ее. Для этого площадь контакта подложки 3 с концентратором 6 должна быть много меньше площади поверхности концентратора 6, противолежащей контакту. Это достигается выбором соответствующей формы поперечного сечения концентратора 6, как указано выше.
2
2
Спин-поляризованный электронный поток, выйдя из стержня 1 и проходя рабочий слой 2 за границей стержня 1, взаимодействует с компонентой М. В результате электроны разделяются по энергиям: электроны со спинами, параллельными М и направленными вверх, имеют меньшую энергию, чем электроны с противоположной ориентацией спинов, т.е. направленными вниз. Таким образом, электроны селектируются по энергетическим спиновым подзонам (см. фиг.2).
7
9
2
1
Для достижения отрицательной спиновой температуры в рабочем слое 2 необходимо иметь высокую плотность спинов вниз. Для этого необходима большая плотность тока 10-10 А/см. Такая плотность тока достигается следующим образом. Поток электронов, проходящий по стержню 1, спин-поляризуется под действием намагниченности стержня M. Через торец заостренного конца стержня 1 электронный поток попадает в рабочий слой 2. Здесь он растекается от центра стержня 1 радиально до второго электрода 4. Плотность тока в рабочем слое 2 максимальна у торца стержня 1 по его границе и определяется соотношением (1).
7
2
В частном случае, когда торец стержня 1 имеет круглую форму, его периметр L=2Rπ, где R - радиус торца. Оценка для круглого торца стержня 1 показывает, что при электронном потоке 0,1 А, протекающем через стержень 1, плотность тока 10 А/см в рабочем слое 2 достигается при R=10 мкм и толщине пленки Δ=10 нм. Опыт работы с заявляемым устройством показывает допустимость протекания и больших значений тока через структуру вплоть до значения 1 А. Возможность пропускания таких токов через заявляемое устройство объясняется тем, что высокая плотность тока наблюдается только в очень малом объеме рабочей области, определяемом длиной спиновой релаксации (20-30 нм). При удалении от стержня 1 плотность тока уменьшается обратно пропорционально расстоянию от центра. В стержне 1 наибольшая плотность тока в R/Δ раз меньше плотности тока, достигаемой в рабочей области слоя 2 по границе торца стержня 1. Работоспособность устройства при таких токах обусловлена еще и тем, что массивный металлический стержень 1 играет роль радиатора, отводящего тепло из рабочей области. Второй электрод 4 дополнительно отводит тепло от рабочего слоя 2. Так как толщина Δ рабочего слоя 2 соизмерима с толщиной скин-слоя на рабочих частотах, то рабочая область слоя 2 представляет собой монолитный излучатель, от которого по всем направлениям в телесный угол 4π распространяется излучение. Электромагнитные волны из рабочей области слоя 2 распространяются в открытое пространство за подложкой 3.
Литература
1. Физическая энциклопедия. Т.1, статья «Гетеролазер», с.445-446. М.: Советская энциклопедия, 1968.
2. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М. 1983.
3. Osipov V.V., Brutkovski A.M. Heterolaserand light emittingsource of polarized radiation. United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006.
4. Radigrobov A., Ivanov Z., Claeson Т., Shekhter R.I., Jonson M. Gigant lasing effect in magnetic nanoconductors. Europhys. Lett., v.67(6), 946-954, 2004.
5. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М., Панас А.И. Крикунов А.И., Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент РФ №2344528, январь 20, 2009 г.