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加州大学圣芭芭拉分校新闻

未来的浪潮

对于从成像到通信等应用领域的先进技术来说,太赫兹电磁波谱区是最佳选择。位于微波和红外区域之间的太赫兹区域正在被研究人员探索,他们试图理解和利用它的特殊能力。

例如,太赫兹波能够快速传输大量数据,使其成为“超越5G”无线通信的候选对象。这种波还具有高度的敏感性,能够看到生物组织或其他精细材料层之间的情况,而传统的(相对有害的)x射线则不能。

像超快无线通信这样的技术使用越来越多的能量。自旋电子学——使用电子的“自旋”,而不是电子的电荷——正被大力研究,作为一种减少所需能量的方法,以满足社会对带宽日益增长的需求。为了帮助涡轮增压自旋电子学,加州大学圣巴巴拉分校加州大学河滨分校的凝聚态物理学家开发了一种将自旋激发态转换成电信号的太赫兹波方法。   

他们的研究成果发表在《自然》杂志上。

“这是一个非常有益的合作,结合加州大学河滨分校的专业知识与我们独特的自旋电子材料和设备为太赫兹磁共振仪器,”物理学家马克·舍温说他太赫兹科学技术研究所UCSB校园,进行了一些研究。

这一发现是基于反铁磁材料中的一种磁共振现象。这种材料,也被称为反铁磁体,为超快和基于自旋的纳米设备应用提供了独特的优势。

由加州大学河滨分校的物理学家景石(Jing Shi)领导的科学家们在一个反铁磁体中产生了自旋电流,并能够用电来探测它。自旋电流是自旋电子学中的一个重要物理量。为了完成这一壮举,他们使用太赫兹辐射来激发铬(氧化铬)中的磁共振,以促进其检测。

在铁磁体中,如条形磁铁,电子自旋指向同一方向,向上或向下,从而为材料提供集体强度。在反铁磁体中,原子的排列是这样的:电子的自旋相互抵消,一半的自旋指向相反的方向,要么向上,要么向下。

电子有一个内置的自旋角动量,它可以进动——或者改变它的旋转轴的方向——就像一个旋转的陀螺绕着一个垂直轴进动一样。当电子的进动频率与外部源作用于电子上产生的电磁波频率相匹配时,就会发生磁共振,并表现为更容易检测到的强信号。

为了产生这样的磁共振,来自加州大学河滨分校和加州大学圣巴巴拉分校的物理学家团队研究了在ITST太赫兹工厂产生的0.24太赫兹辐射。这与色度中电子的进动频率密切相关。随后的磁共振导致了自旋电流的产生,研究人员将其转换成直流电压。

“我们能够证明反铁磁共振可以产生电压,这是一种以前从未在实验中实现过的自旋电子效应,”施说。目前的通信技术使用的是千兆赫微波。

“然而,对于更高的带宽,趋势是走向太赫兹微波,”Shi说。

虽然反铁磁体在静态上是无趣的,但在动态上却是有趣的。反铁磁体中的电子自旋进动比铁磁体中的快得多,导致频率比铁磁体的频率高两到三个数量级,从而使信息传输更快。

“反铁磁体的自旋动力学比铁磁体的自旋动力学发生的时间要短得多,这为潜在的超快器件应用提供了诱人的好处,”Shi说。

反铁磁体是普遍存在的,而且比铁磁体更丰富。许多铁磁体,如铁和钴,氧化后变成反铁磁性的。许多反铁磁体是低能量损耗的优良绝缘体。

Shi的团队开发了一种双层结构,由chromia(一种反铁磁绝缘体)组成,其顶部有一层金属层作为探测器来检测来自chromia的信号。根据这项研究,色度中的电子是局部的。穿过界面的是电子进动自旋中编码的信息。

研究人员通过聚焦于铂和钽作为金属探测器来解决自旋灵敏度问题。如果色度信号来源于自旋,则铂和钽的极性相反。然而,如果信号是由加热引起的,两种金属就以相同的极性记录信号。

这项技术正在申请专利。

这项研究还由加州大学圣巴巴拉分校的C. Blake Wilson、Marzieh Kavand和Nikolay Agladze进行;还有加州大学河滨分校的李俊学、程冉、罗曼、魏源、阿尔多萨里和彭伟。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.news.ucsb.edu/2020/019778/wave-future