新技术：物理学家采用自旋电流生成太赫兹波！
导读
近日，德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）的团队开发出一种生成太赫兹波的新方法。他们利用了磁性金属纳米结构中的量子磁电流，也称为“自旋电流”。这种低成本、节材的技术有望应用于工业领域。
背景
太赫兹波是指频率范围在 100GHz 到 10THz 之间，介于微波和红外线之间的电磁波，它对于人眼来说不可见。因为能量较低，所以我们无需担忧它会对人体产生影响。如今，太赫兹技术是受到世界各国广泛重视的前沿科技领域之一。
（图片来源：维基百科）
相对于其他类型的电磁波段，太赫兹技术的优势在于以下几点：第一，它和X光以及声波一样，可以穿透物体表面成像；第二，它的频率很高，因此空间分辨率也很高；第三，因为其脉冲很短（皮秒量级），所以具有很高的时间分辨率。
太赫兹技术主要满足了两方面的需求：第一，更高带宽的无线通信系统；第二，安全应用。就无线通信方面来说，大数据、物联网、高清电视、社交媒体的蓬勃发展，都要求无线通信带宽进一步提升，频谱资源进一步拓展。然而，太赫兹波的通信数据率可高达100 Gbit/s，它所在的工作频率也尚未得到充分利用。就安全应用的方面来说，不同的化学物质，可在不同的程度上，吸收不同频率的太赫兹辐射，从而表现出独特的频率特征，因此太赫兹辐射，已广泛应用安检，此外，它还可以区分墨水和白纸，这些都是X光无法完成的。
此外，太赫兹技术还可应用于通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、军事、材料检测等诸多领域。之前，笔者在几篇文章中都介绍过太赫兹技术的创新研究成果。
然而，生成太赫兹波通常需要强大的辐射源，例如发射器。这通常会带来高能耗和高成本。
创新
为了解决上述问题，近日德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）的团队开发出一种生成太赫兹波的新方法。他们利用了磁性金属纳米结构中的量子磁电流，也称为“自旋电流”。这种低成本、节材的技术有望应用于工业领域。
（图片来源：TUK/Thomas Koziel）
这项研究发表于科学杂志《科学报告》（Scientific Reports）。这项研究的主要成员 Evangelos Papaioannou 副教授的研究小组是TUK 物理系 Burkard Hillebrands 教授领导磁性研究小组的一部分。Papaioannou 团队也是德国国家光学和材料科学研究中心（OPTIMAS）的一部分，它由莱茵兰普法尔茨州资助。R. Beigang 教授和 G. Torosyan 博士也对这项研究作出了贡献，他们都是太赫兹领域的专家。
技术
凯泽斯劳滕工业大学的研究人员开发出一种非常高效，同时更加低成本的方法，即使用自旋电流。它类似于普通电流，在其中电荷，即电子，在流动。Evangelos Papaioannou 表示：“自旋描述了准粒子（例如电子）的内禀角动量。它构成了所有磁现象的基础。简单说，电子围绕着它的轴左旋或者右旋，如同一只旋转的陀螺。”
Papaioannou 研究团队为了应用这项技术，开发出一种特别的纳米结构。物理学家是如此描述这个结构的：“它由磁离子金属双层和非磁铂组成。它们非常薄，只有几个纳米的厚度。”
为了生成太赫兹波，研究人员使用了一种飞秒激光器，它可以激发出极短的激光脉冲。结果，下面的情况发生了：“当激光脉冲照射到纳米结构上时，它们激发了离子薄膜中的电子，创造出自旋电流。”这种电流流入邻近的铂层。这里出现了一种特殊的物理现象：逆自旋霍尔效应。对于铂来说，这种效应被发现已经有些时间了。它的出现与金属的原子结构相关。“铂的原子核使得电子向相反方向偏转，即左手或者右手自旋，从而导致自旋电流变化为超高速的瞬态电荷流，然后变成太赫兹波的发射源。”
（图片来源：TUK）
作为实验装置的一项特殊功能，小型硅镜头被连接到该结构上。这位年轻的教授继续说：“我们正在集束这些波。”通过这种方法，未来太赫兹波可简单高效地应用。
在他们最近发表的论文中，研究人员揭示，在众多因素中，材料层的厚度和排列必须进行最佳的设计，才能制造出太赫兹波。
价值
太赫兹自旋电子学技术是一个新兴的研究领域。只有到了最近，柏林的同事们才首次演示了自旋电流可以生成太赫兹波。凯泽斯劳滕工业大学研究人员的工作揭示出一条优化发射器的新途径，让他们可以达到最高效率。这也使得他们更加廉价、更多应用于各个领域，例如安全技术、材料测试和新兴技术，以及基础研究。
参考资料
【1】https://www.uni-kl.de/en/news/news/news/detail/News/new-technique-physicists-generate-terahertz-waves-with-spin-current-flow/
【2】Garik Torosyan, Sascha Keller, Laura Scheuer, Rene Beigang, Evangelos Th. Papaioannou. Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/Pt Layer Structures. Scientific Reports, 2018 DOI: 10.1038 / s41598-018-19432-9
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