Spintronische THz-Emitter

Abbildung (a): THz-Transienten, erzeugt durch den spintronischen THz-Emitter mit austauschgekoppelten FM-Schichten (Fe) für zwei parallel zur Emitteroberfläche angelegte Magnetfelder µ0H = ±8 mT. (b) Leistungsspektren der in (a) gezeigten Transienten für Magnetfelder µ0H = +8 mT (rot) und µ0H = -8 mT (grau). (c) Variation der maximalen THz-Spitzenamplitude, erzeugt durch ein spintronisches MgO//Fe/Pt/Cr/FePt-Emitterpaar für tCr = 1,7 nm. Die angezeigte Kurve zeigt eine bis zu 300 %ige THz-Signalverstärkung bei Magnetfeldern nahe µ0H = ±8 mT aufgrund der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung in den beiden Fe-Schichten bei diesem Feld im Vergleich zur parallelen Ausrichtung bei einer Sättigung. Der Einschub in (c) zeigt das Schema des THz-Emitterpaars mit dem einfallenden Laserpuls (rote Wellenform) und dem erzeugten THz-Strahl (blaue Wellenform).
Abbildung (a): THz-Transienten, erzeugt durch den spintronischen THz-Emitter mit austauschgekoppelten FM-Schichten (Fe) für zwei parallel zur Emitteroberfläche angelegte Magnetfelder µ0H = ±8 mT. (b) Leistungsspektren der in (a) gezeigten Transienten für Magnetfelder µ0H = +8 mT (rot) und µ0H = -8 mT (grau). (c) Variation der maximalen THz-Spitzenamplitude, erzeugt durch ein spintronisches MgO//Fe/Pt/Cr/FePt-Emitterpaar für tCr = 1,7 nm. Die angezeigte Kurve zeigt eine bis zu 300 %ige THz-Signalverstärkung bei Magnetfeldern nahe µ0H = ±8 mT aufgrund der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung in den beiden Fe-Schichten bei diesem Feld im Vergleich zur parallelen Ausrichtung bei einer Sättigung. Der Einschub in (c) zeigt das Schema des THz-Emitterpaars mit dem einfallenden Laserpuls (rote Wellenform) und dem erzeugten THz-Strahl (blaue Wellenform).

In diesem Projekt verwenden wir Laserpulse, um superdiffusive Spinströme (JS) in einer Vielzahl von Ferromagnet/Normalmetall-Schichtstrukturen (FM/NM) zu erzeugen. Aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung in den NM-Schichten werden Elektronen mit entgegengesetztem Spin in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt und erzeugen eine Gesamtladungsstromdichte JC ∝ DISHE (JS × σ), wobei DISHE der Spin-Hall-Winkel und σ die Spinpolarisation von JS ist. Das Auslösen dieses Prozesses durch Femtosekunden-Laserpulse führt zu Ladungsstromstößen JC, die zur Emission elektromagnetischer Transienten führen, deren Frequenzgehalt bis in den Terahertz-Frequenzbereich (THz) reicht. Detaillierte Kenntnisse der Funktionsprinzipien der spintronischen THz-Emitter sollen zu einem besseren Verständnis der Dynamik der Spin-zu-Ladung- und Ladung-zu-Spin-Umwandlungsmechanismen führen. Darüber hinaus verfügen spintronische THz-Emitterstrukturen aufgrund ihrer Robustheit, Abstimmbarkeit und Einfachheit über das Potenzial, in einer breiten Palette von Hightech-Bereichen eingesetzt zu werden, darunter Physik, Chemie, Medizin, Sicherheit, Datenverarbeitung und Kommunikation.

Publikationen

R. Adam, D. Cao, D. E. Bürgler, S. Heidtfeld, F. Wang, C. Greb, J. Cheng, D. Chakraborty, I. Komissarov, M. Büscher, M. Mikulics, H. Hardtdegen, R. Sobolewski, and C. M. Schneider, THz generation by exchange-coupled spintronic emitters, npj Spintronics 2, 58 (2024)
https://doi.org/10.1038/s44306-024-00061-0

J. Cheng, I. Komissarov, G. Chen, D. Chakraborty, R. Adam, D. E. Bürgler, S. Heidtfeld, D. Cao, M. Büscher, H. Hardtdegen, M. Mikulics, C. M. Schneider, L. Gladczuk, P. Przyslupski, and R. Sobolewski, Terahertz inverse spin Hall effect in spintronic nanostructures with various ferromagnetic materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 593, 171641 (2024)
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171641

M. Mikulics, R. Adam, G. Chen, D. Chakraborty, J. Cheng, A. Pericolo, I. Komissarov, D. E. Bürgler, S. F. Heidtfeld, J. Serafini, S. Preble, R. Sobolewski, C. M. Schneider, J. Mayer, and H. H. Hardtdegen, Determination of thermal damage threshold in thz photomixers using Raman spectroscopy, Crystals 13, 10.3390/cryst13081267 (2023)
https://doi.org/10.3390/cryst13081267

S. Heidtfeld, R. Adam, T. Kubota, K. Takanashi, D. Cao, C. Schmitz-Antoniak, D. E. Bürgler, F. Wang, C. Greb, G. Chen, I. Komissarov, H. Hardtdegen, M. Mikulics, R. Sobolewski, S. Suga, and C. M. Schneider, Generation of terahertz transients from Co2Fe0.4Mn0.6Si Heusler alloy/heavy-metal bilayers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 547, 168791 (2022)
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168791

G. Chen, D. Chakraborty, J. Cheng, M. Mikulics, I. Komissarov, R. Adam, D. E. Bürgler,
C. M. Schneider, H. Hardtdegen, and R. Sobolewski, Transient THz emission and effective mass determination in highly resistive GaAs crystals excited by femtosecond optical pulses, Crystals 12 (2022)
https://doi.org/10.3390/cryst12111635

S. Heidtfeld, R. Adam, T. Kubota, K. Takanashi, D. Cao, C. Schmitz-Antoniak, D. E. Bürgler, F. Wang, C. Greb, G. Chen, I. Komissarov, H. Hardtdegen, M. Mikulics, R. Sobolewski, S. Suga, and C. M. Schneider, Generation of terahertz transients from Co2Fe0.4Mn0.6Si Heusler alloy/normal-metal nanobilayers excited by femtosecond optical pulses, Phys. Rev. Research 3, 043025 (2021)
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043025

R. Adam, G. Chen, D. E. Bürgler, T. Shou, I. Komissarov, S. Heidtfeld, H. Hardtdegen,
M. Mikulics, C. M. Schneider, and R. Sobolewski, Magnetically and optically tunable terahertz radiation from Ta/NiFe/Pt spintronic nanolayers generated by femtosecond laser pulses, Applied Physics Letters 114, 212405 (2019)
https://doi.org/10.1063/1.5099201

Letzte Änderung: 11.02.2025