Prova diretta dell'emissione di terahertz derivante dall'effetto Hall anomalo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5988 (2023) Citare questo articolo

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Una comprensione dettagliata dei diversi meccanismi responsabili dell'emissione di terahertz (THz) nei materiali ferromagnetici (FM) aiuterà a progettare emettitori THz efficienti. In questo rapporto, presentiamo la prova diretta dell'emissione THz da film sottili FM di Co\(_{0.4}\)Fe\(_{0.4}\)B\(_{0.2}\) (CoFeB) a strato singolo. Il meccanismo dominante responsabile dell'emissione THz è l'effetto Hall anomalo (AHE), che è un effetto di una corrente di riflusso netta nello strato FM creata dalla corrente polarizzata in spin riflessa sulle interfacce dello strato FM. L'emissione THz dell'emettitore CoFeB basato su AHE è ottimizzata variandone lo spessore, l'orientamento e la fluenza della pompa del raggio laser. I risultati delle misurazioni del trasporto elettrico mostrano che la dispersione obliqua dei portatori di carica è responsabile dell'emissione THz nell'emettitore THz basato su CoFeB AHE.

La regione dello spettro elettromagnetico che si trova tra le microonde vicine e la radiazione nel lontano infrarosso è la cosiddetta radiazione Terahertz (THz) o gap THz, ovvero frequenze tipicamente comprese tra 100 GHz e 30 THz. La radiazione terahertz trova applicazioni in diversi campi, come la medicina, la sicurezza, ecc.1,2. La commutazione fotoconduttiva, la rettifica ottica, la fotocorrente transitoria nel plasma d'aria e la generazione di frequenze differenziali costituiscono tecniche impiegate per la generazione di radiazioni THz3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Inoltre, l'emissione THz da materiali magnetici, utilizzando il grado di libertà dello spin, ha recentemente guadagnato popolarità come quadro promettente per la generazione di radiazione a banda larga senza lacune di assorbimento fononico e con intensità paragonabile alla sorgente THz standard al tellururo di zinco14,15.

Esistono diversi meccanismi possibili che possono spiegare la generazione di THz nei sistemi basati sullo spin. Beaurepaire et al.16 hanno scoperto la smagnetizzazione ultraveloce (UDM) nel 1996, dimostrando che un film di Ni ferromagnetico (FM) quando smagnetizzato su una scala temporale inferiore al picosecondo mediante un'eccitazione di impulsi laser al femtosecondo (fs) genera radiazione THz17. La radiazione THz è in questo caso proporzionale alla derivata temporale seconda della magnetizzazione18 e mostra una dipendenza lineare dallo spessore dello strato FM. Recentemente, Kampfrath et al.14,19 hanno scoperto un meccanismo alternativo per la generazione di THz, che utilizza l'effetto Hall di spin inverso (iSHE) o l'effetto Rasbha Edelstein inverso (iREE). In questo caso, il meccanismo di generazione richiede un'eterostruttura magnetica costituita da uno strato FM e uno strato non magnetico (NM) che possiede un'elevata efficienza di conversione spin-carica (S2C). In questo meccanismo, l’ampiezza dell’emissione THz dipende fortemente dall’efficienza di conversione S2C. Recentemente, è stato dimostrato che gli emettitori THz possono essere progettati utilizzando un singolo strato FM, che sfrutta il fenomeno dell'effetto Hall anomalo (AHE)20,21,22,23. Da un lato, il meccanismo UDM si basa sulle proprietà di massa di un singolo strato FM, mentre dall’altro il meccanismo AHE corrisponde ad un effetto combinato di proprietà di interfaccia e di massa, che sarà ulteriormente discusso di seguito.

Un impulso laser fs quando incidente su uno strato FM ecciterà gli elettroni caldi nello strato FM. Il sistema raggiunge l’equilibrio attraverso le interazioni elettrone-elettrone, elettrone-fonone ed elettrone-magnone. Prima di raggiungere l'equilibrio rispetto alle interazioni elettrone-elettrone, gli elettroni caldi acquisiscono una velocità dell'ordine \(10^6\) m/s e si muovono all'interno dello strato FM in maniera superdiffusiva24,25. Quando raggiungono le interfacce FM/dielettrico come indicato in Fig. 1, gli elettroni si riflettono indietro dalle interfacce per formare una corrente di riflusso netta (\(j_{bf}\)) lungo la direzione dello spessore del film25. In presenza dell'AHE, \(j_{bf}\) viene convertito in una corrente transitoria (\(j_t\)) definita come \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\) ), dove \(\theta _{AHE}\) e m sono rispettivamente l'angolo di Hall anomalo e la direzione di magnetizzazione. La corrente di riflusso netta dipende dalle proprietà dielettriche delle interfacce, dalla loro rugosità e dalle proprietà dello strato FM, come \(\theta _{AHE}\) e m.