ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SOLID-STATE ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCE

Заявляемое устройство предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцевых частот. Устройство позволяет также генерировать излучение в соседних диапазонах частот: субмиллиметровом и дальнем инфракрасном. По своему принципу действия и по протекающим в нем физическим процессам его можно отнести к таким быстро развивающимся направлениям современной электроники, как спинтроника и фотоника.
Миниатюрные твердотельные инжекционные лазеры появились в 1960-70 г.г. (см., например [Физическая энциклопедия. Т. 1, статья «Гетеролазер», с. 445-446. М.: Советская энциклопедия, 1968, Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров, М.: 1983]). В них применяют полупроводниковые материалы. Они удобны тем, что накачка осуществляется током, который инжектирует носители зарядов в рабочий слой и создает в нем неравновесное по энергетическим уровням распределение с отрицательной эффективной температурой. Инжекция происходит через границу раздела двух различных полупроводниковых материалов. Например, электроны, инжектируемые в дырочный материал, рекомбинируют с излучением в оптическом или ИК диапазонах. Частота излучения зависит от применяемых полупроводниковых материалов. Устройства могут работать при комнатных температурах.
Известен лазер [Osipov V.V., Brutkovski A.M., Heterolaser and light emitting source of polarized radiation, United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006], 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 терагерцевого диапазона частот (10-10 Гц) электромагнитных колебаний. 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 во многих других областях.
7
9
2
Известно устройство [Kadigrobov A., Ivanov Z., Claeson Т., Shekhter R.I., Jonson M., Gigant lasing effect in magnetic nanoconductors, Europhys. Lett., v. 67(6), 946-954, 2004] для генерации терагерцевого 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 высокого уровня спиновой инжекции носителей заряда при достижимой рабочей плотности тока 10-10 А/см.
7
9
2
Известен твердотельный источник терагерцевого излучения [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.], в котором указанный недостаток преодолевается за счет использования в устройстве слоев из различных ферромагнитных материалов. Первый слой из ферромагнитного проводящего материала (первый электрод) - являющийся 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 больших абсолютных величин тока в сотни миллиампер, что, в свою очередь, не дает возможности получить в подобном устройстве достаточно больших для практического применения уровней мощности, а также ухудшает его работоспособность и надежность.
Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн, С.Г Чигарев. Твердотельный источник электромагнитного излучения. ПАТЕНТ на изобретение №2464683. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 октября 2009 г.], содержащий рабочий слой, выполненный в виде пленки из электропроводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала с намагниченностью, отличающейся от намагниченности материала рабочего слоя, контактирующий с этим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем. Рабочий слой расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, второй электрод расположен на поверхности рабочего слоя и выполнен в виде массивной пластины с отверстием, а первый электрод в виде острого стержня вставлен в отверстие упомянутой пластины, так что его острие находится в контакте с рабочим слоем. В таком твердотельном источнике электромагнитного излучения ток, протекая от первого электрода ко второму, только один раз пересекает границу раздела областей с различной намагниченностью, то есть активную границу, где создаются условия для генерации, электромагнитного излучения. Активная граница расположена в рабочем слое по границе торца острия стержня. Таким образом, свободные электроны потока только однократно участвуют в процессе передачи энергии от источника питания в электромагнитное излучение, что снижает эффективность энергоотбора и уменьшает мощность излучения. Кроме того, механический контакт стержня с рабочим слоем «на прижим» снижает надежность работы твердотельного источника.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении эффективности энергоотбора, увеличения мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне частот, в частности в терагерцевом диапазоне.
Указанная задача решается тем, что в твердотельном источнике электромагнитного излучения, содержащем рабочий слой, выполненный из электрически проводящего материала и расположенный на поверхности подложки из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, и два электрода, контактирующих с рабочим слоем, на подложке между электродами расположены не контактирующие между собой столбики из проводящего материала, отличающегося своими свойствами от материала рабочего слоя, а рабочий слой нанесен на поверхность столбиков и поверхность подложки, свободную от столбиков.
Для достижения указанной цели возможно использовать различные материалы для изготовления столбиков и рабочего слоя. Так рабочий слой и столбики могут быть выполнены из ферромагнитного материала, при этом собственная намагниченность материала рабочего слоя должна быть отлична от собственной намагниченности материала столбиков.
Возможен вариант, когда рабочий слой выполнен из немагнитного или антиферромагнитного материала или рабочий слой выполнен из магнитного материала, а столбики из немагнитного или антиферромагнитного материала.
Возможна различная конфигурация рабочего слоя в плане. Так, например, рабочий слой может быть выполнен в виде полоски, при этом электроды расположены на противоположных концах этой полоски. Возможна и иная конфигурация, например, рабочий слой выполнен в виде диска, при этом один электрод расположен в его центре, а другой на границе диска.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства с рабочим слоем в виде полоски. Фиг. 1а - вид сверху, фиг. 1б - вид с боку в разрезе. На фиг. 2 изображена конструкция устройства с рабочим слоем, выполненным в виде диска. Фиг. 2а - вид сверху, фиг. 2б - вид сбоку в разрезе. На фиг. 3 изображен один из возможных вариантов твердотельного источника электромагнитного излучения с резонатором (сечение вид сбоку).
Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения содержит подложку 1 (фиг. 1) из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, столбики 2 из ферромагнитного, антиферромагнитного или немагнитного материала, рабочий слой 3 из ферромагнитного, антиферромагнитного или немагнитного материала, отличного от материалов столбиков, нанесенный на поверхность столбиков 2 и поверхность подложки 1, свободную от столбиков 2, два электрода 4, контактирующие с рабочим слоем 3, служащие для подачи напряжения от источника питания на рабочий слой 3. Столбики имеют поперечные размеры от 20 до 100 нм и высоту порядка 5-30 нм. Рабочий слой 3 выполнен в виде полоски. Электроды 4 выполнены в виде прямоугольников и расположены на противоположных концах полоски рабочего слоя 3. Конструкция, показанная на фиг. 2, отличается от конструкции, описанной выше тем, что рабочий слой 3 (фиг. 2) выполнен в виде диска, при этом один электрод 4 расположен в центре диска, а другой - на его границе.
На фиг. 3 изображен один из вариантов размещения источника электромагнитных колебаний в резонаторе. Здесь твердотельный источник электромагнитного излучения помещен в резонатор, образованный двумя частично или полностью отражающими генерируемое излучение пленками 5 и 6. Пленка 5 расположена на поверхности подложки 1 со стороны, противоположной рабочему слою. Пленка 6 нанесена на подложку 7 из того же материала, что и подложка 1. Подложка 7 расположена со стороны рабочего слоя 3 над ним.
1
Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере, когда рабочий слой 3 и столбики 2 выполнены из магнитного материала. В этом случае устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 4 напряжения от источника питания в рабочем слое 3 возникает поток свободных электронов. Спины электронов, движущиеся в рабочем слое 3, ориентируются по или против направления намагниченности слоя 3 - M так, что выполняется условие
+
-
1
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
-12
-13
где  - величина равновесной спиновой поляризации для ферромагнетика рабочего слоя, n, n концентрация свободных электронов, ориентированных по направлению вектора намагниченности рабочего слоя 3 М (индекс +) и против вектора намагниченности М (индекс -). Таким образом спины электронов разделяются по спиновым энергетическим подзонам так, что электроны со спинами, ориентированными параллельно направлению намагниченности слоя 3 занимают низшую энергетическую подзону, их количество больше чем количество электронов со спинами, направленными антипараллельно направлению намагниченности рабочего слоя 3. Эти электроны занимают высшую спиновую энергетическую подзону. При этом в равновесии подзоны имеют общий уровень Ферми, но их дно раздвинуто на величину Δ, пропорциональную величине М. При переходе из рабочего слоя 3 с собственной намагниченностью М в столбик 2, имеющий собственную намагниченность М, электроны оказываются в среде с иной намагниченностью по величине М или по величине и направлению вектора М. При этом раздвижка дна подзон изменяется, становясь пропорциональной величине намагниченности ΔM=(М-М) в случае различия только величины намагниченностей рабочего слоя 3 и столбика 2, либо ΔM=(М+M) в случае изменения и величины и направления намагниченностей. В течение времени спиновой релаксации τ порядка 10-10 с концентрация электронов по энергетическим подзонам соответствующая равновесной спиновой поляризации рабочего слоя 3 сохраняется, а раздвижка дна подзон, пропорциональная ΔM, изменяется, что приводит к образованию в столбиках 2 квазиуровней Ферми в спиновых подзонах. При этом в обоих случаях возникает условие, когда большее количество электронов находится в энергетически возбужденном состоянии, а меньшее - в состоянии с наименьшей энергией. Это приводит к инверсной заселенности спиновых энергетических подзон. В течение времени спиновой релаксации под внешним воздействием энергетически возбужденные электроны переходят в невозбужденное состояние с излучением кванта энергии. Излучение распространяется в пространство непосредственно с поверхности рабочего слоя 3 из области контактов столбиков 2 с ним, либо через подложку 1. На всех рисунках излучение показано стрелками. При своем движении от одного электрода к другому электроны многократно пересекают границы раздела двух магнитных сред: рабочего слоя 3 и столбика 2, то есть одна и та же группа электронов многократно участвует в процессе излучения, что увеличивает эффективность энергоотбора и мощность излучения.
В случае, когда либо рабочий слой, либо столбики выполнены из немагнитного материала, образование квазиуровней Ферми с инверсной заселенностью уровней подзон связано с тем, что раздвижка дна подзон в немагнитном материале ΔM=0. Переход электронов в ферромагнитную среду, где ΔM≠0 приводит также к образованию квазиуровней Ферми с инверсной заселенностью, то есть к появлению энергетически возбужденных электронов. Переход электронов из возбужденного состояния в невозбужденное состояние также связано с излучением электроном кванта энергии.
При использовании антиферромагнитного материала для изготовления рабочего слоя 3 или столбиков 2 источник работает аналогично описанному выше механизму. Более подробно этот механизм рассмотрен в следующей работе [(Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., С.И. Касаткин, Г.М. Михайлов, С.Г. Чигарев. Наблюдение терагерцевого излучения в структуре ферромагнетик-антиферромагнетик. // РЭ. 2013, том 58, №7, с. 1-4)].
Желательно столбики 2 изготавливать из материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем сопротивление рабочего слоя 3. Это позволяет пропускать через границу раздела рабочий слой 3 - столбик 2 большее количество свободных электронов. Действительно, участок структуры излучателя, включающего столбик 2 и область рабочего слоя 3, окружающего его, можно рассматривать как параллельно соединенные сопротивления. Через меньшее сопротивление, в нашем случае столбик 2, течет больший ток, чем через большее сопротивление - участок рабочего слоя 3, окружающий столбик 2. Во всех рассмотренных случаях синхронизация излучения различными столбиками 2 не обеспечивается, что снижает эффективность работы устройства.
Для обеспечения синхронизации излучения отдельными столбиками 2 источник электромагнитного излучения помещается в объем резонатора, например в объем резонатора Фабри-Перо. В резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на фиксированной частоте, соответствующей его собственным колебаниям. При этом часть мощности излучения этой частоты отражается от отражателей 5 и 6 (фиг. 3) и попадает в область контактов рабочего слоя 3 и столбиков 2, где формируется излучение уже под воздействием фиксированной частоты, соответствующей собственной частоте резонатора. Это приводит к генерированию излучения на фиксированной частоте, что и многократно увеличивает мощность излучения.