金屬所等關于稀土金屬增強太赫茲輻射強度的研究獲進展

太赫茲（THz）是一種頻率介于微波和紅外頻率之間的電磁波。然而，目前缺乏高效率、高集成度以及易調制的太赫茲輻射源。傳統太赫茲產生方式如光電導天線和電光晶體法，存在著太赫茲能量低、帶寬小、成本高和波長依賴等問題。

基于自旋電子學效應的太赫茲產生方式由于具有激光波長依賴度低、超寬帶、高效率和高穩定性等優點，受到國內外太赫茲研究人員的關注。增強電荷-自旋-軌道自由度之間的轉化效率，對于提升自旋電子-太赫茲輻射強度至關重要。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部基于此前在自旋電子學研究領域的積累，與中山大學物理學院合作，在多層膜異質結構中引入稀土金屬插層，發現了與稀土種類相關的自旋-軌道流轉化機制。研究發現，在Pt/CoFeB(/Ti)異質結中，太赫茲的產生主要依靠逆自旋霍爾效應和逆軌道霍爾效應實現自旋-電荷、自旋-軌道-電荷流的轉化，從而對外輻射太赫茲脈沖。研究顯示，將稀土金屬Nd、Gd和Ho插入到CoFeB和Ti層中間后，稀土的自旋軌道耦合影響了CoFeB-Ti一側的自旋-軌道流轉化過程。輕稀土Nd將負極化的自旋流轉化為負極化的軌道流，進而在Ti層中轉化為負極化的電荷流，導致含稀土Nd插層樣品的太赫茲峰對峰強度弱于對照樣品Pt/CFB/Ti的強度值。反之，重稀土Gd和Ho將負極化的自旋流轉化為正極化的軌道流，且在Ti層中轉化為正極化的電荷流，從而在含重稀土插層的樣品中可觀察到增強的太赫茲峰對峰強度。同時，對照樣品Pt/CoFeB/RE、Pt/CoFeB/Ti/RE的太赫茲測量結果可以排除稀土金屬自身的自旋-電荷流轉化的影響。進一步，快速傅里葉變換結果證明，稀土金屬Gd有助于提高太赫茲輻射的整體頻譜范圍和強度。

9月19日，相關研究成果以Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd,?Gd,?and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements為題，發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金等的支持。