金属-介质光子晶体:提升自旋太赫兹源性能的新途径

太赫兹(THz)波是指频率从 0.1 THz 到 10 THz,介于毫米波与红外光之间的电磁波。太赫兹波具有许多独特性质,比如对非金属非极性材料的高穿透性、对生命物质的安全性、很强的光谱分辨本领等,这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景,包括太赫兹通信、光谱和成像、无损探伤、安全检测等方面;同时,太赫兹光谱也是开展基础科学研究的强有力手段。基于太赫兹波的重要性,获得高性能的太赫兹源一直是太赫兹领域研究的热点。

传统的基于飞秒激光泵浦的太赫兹源主要有电光晶体、光电导天线、空气等离子体等,但它们在频谱、成本、简便性等方面存在一定瓶颈。2013年,德国Fritz Haber Institute的T. Kampfrath等人报道了一种新型的自旋太赫兹源[1],利用铁磁/非磁双层纳米薄膜中的超快自旋流注入和逆自旋霍尔效应产生太赫兹波。此新型太赫兹源具有结构简单、成本低廉、偏振可调、频谱宽(>10THz)等优点,但论文中的器件产生效率很低,只有商用ZnTe晶体的1%。在此基础上,国际上多个课题组开展了提升效率的研究[2-4],其中德国Fritz Haber Institute的T. Seifert等人通过选择大自旋霍尔角的非磁层、优化铁磁/非磁层厚度、利用三层膜结构同时利用前向和后向自旋流等方法,将自旋太赫兹源的产生效率提升到商用ZnTe晶体的等量级水平[2]。然而,上述自旋太赫兹源的金属多层膜结构通常小于6纳米,其存在天然的光学限制,对泵浦飞秒激光的吸收利用率小于50%,从而限制了其太赫兹波产生效率。

针对这一问题,中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心(简称中物院微太中心)谭为博士和南京大学、中科院物理研究所等单位携手合作,提出一种介质-金属光子晶体结构,利用激光在结构中的多重散射和干涉,同时抑制自旋材料金属层对激光的反射和透射,成倍地提升了激光的吸收率,从而提升了太赫兹波产生效率。实验结果表明,其激光吸收和太赫兹波强度一一对应,并与理论计算高度吻合。相比于现有的自旋太赫兹源,金属-介质光子晶体结构的产生效率提升到原来的 1.7 倍,可直接替换商用ZnTe晶体用于太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统中。该工作将光学思想引入自旋太赫兹源的研究中,为其性能提升提供了一种新途径。

相关论文发表在Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.201800965)上。论文第一作者为中物院微太中心冯正博士,通讯作者为中物院微太中心谭为博士、中科院物理研究所蔡建旺研究员、南京大学丁海峰教授,合作者还包括河南师范大学、西南科技大学、中物院流体物理研究所的研究人员。