Ученые в два раза повысили эффективность спинтронного излучателя терагерцевых (ТГц-) волн, сделав переход между составляющими его слоями металлов плавным. В стандартных излучателях есть резкая граница, но эксперименты показали, что при наличии градиента между металлами лучше передается магнитный момент, в результате чего устройство эффективнее преобразует лазерное излучение в ТГц-волны. Открытие поможет усовершенствовать существующие ТГц-излучатели и расширить их применение в медицине, технике и телекоммуникационных системах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science and Technology of Advanced Materials.
Установка терагерцевой спектроскопии. Источник: Леонид Шелухин
Терагерцевые излучатели находят широкое применение в медицине и технике. Так, их используют для выявления опухолей, сканирования багажа, проверки подлинности предметов искусства и многих других целей. Перспективным типом таких устройств считаются спинтронные излучатели, которые преобразуют лазерные импульсы в ТГц-излучение благодаря переносу магнитного момента из ферромагнитного слоя материала в немагнитный, где он преобразуется в электрический ток.
Ферромагнитный слой состоит из металла, способного под воздействием лазерных импульсов очень быстро размагничиваться. Им может служить, например, кобальт. При его размагничивании возникает так называемый спиновый ток — явление, когда между атомами переносится магнитный момент, но не заряд, как это происходит в случае обычного электрического тока. Спиновый ток достигает второго — немагнитного — слоя, состоящего, например, из платины. Здесь он превращается уже в электрический ток, генерирующий ТГц-излучение. Поскольку мощность ТГц-излучателей зависит от того, насколько хорошо между слоями металлов передается магнитный момент, ученые стремятся понять, как сделать этот перенос максимально эффективным.
Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) в сотрудничестве с коллегами из Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Сахалинского государственного университета (Южно-Сахалинск), Института физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН (Екатеринбург) и Университета Корё (Сеул, Южная Корея) нашли способ улучшить спинтронный ТГц-излучатель, состоящий из ферромагнитного кобальтового и немагнитного платинового слоев. Для этого необходимо сформировать между кобальтовым и платиновым слоями промежуточный слой с плавным градиентом этих металлов. Такой интерфейс получили методом магнетронного распыления с использованием сплавов кобальта и платины различного состава. Этот подход позволил сохранить кристаллическую структуру промежуточного слоя.
На образец подавали сверхкороткие лазерные импульсы и измеряли временной профиль генерируемого ТГц-излучения. Для сравнения ученые провели измерения со стандартным излучателем с резким переходом между слоями металлов. Эксперимент показал, что градиентный слой почти в два раза увеличил эффективность преобразования энергии лазерного импульса в ТГц-излучение по сравнению с традиционными структурами без плавного перехода между слоями.
Такой результат связан с тем, что через градиентный слой лучше проходит спиновый ток, возникающий в результате сверхбыстрого размагничивания кобальта под воздействием лазерных импульсов. Благодаря этому слой платины, преобразующий спиновый ток, испускает более мощные импульсы ТГц-излучения.
«Ранее уже исследовались структуры спинтронных излучателей с плавным интерфейсом между кобальтом и платиной, а также проводились работы по подбору оптимальной толщины слоев в таких структурах. Тем не менее, насколько нам известно, до сих пор не было объяснения, почему усиливается ТГц-излучение в случае плавного интерфейса в подобных системах. Сделанные нами выводы о механизмах, ответственных за увеличение эффективности ТГц-излучателя, позволят эффективно оптимизировать уже существующие структуры», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Леонид Шелухин, научный сотрудник ФТИ имени А.Ф. Иоффе.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
