Evidência direta de emissão de terahertz decorrente do efeito Hall anômalo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5988 (2023) Citar este artigo

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Uma compreensão detalhada dos diferentes mecanismos responsáveis ​​pela emissão de terahertz (THz) em materiais ferromagnéticos (FM) ajudará no projeto de emissores eficientes de THz. Neste relatório, apresentamos evidências diretas de emissão de THz de filmes finos de Co\(_{0.4}\)Fe\(_{0.4}\)B\(_{0.2}\) (CoFeB) FM de camada única. O mecanismo dominante responsável pela emissão THz é o efeito Hall anômalo (AHE), que é um efeito de uma corrente líquida de refluxo na camada FM criada pela corrente polarizada de spin refletida nas interfaces da camada FM. A emissão THz do emissor CoFeB baseado em AHE é otimizada variando sua espessura, orientação e fluência da bomba do feixe de laser. Os resultados das medições de transporte elétrico mostram que a dispersão distorcida dos portadores de carga é responsável pela emissão de THz no emissor de THz baseado em CoFeB AHE.

A região do espectro eletromagnético que fica entre as microondas próximas e a radiação infravermelha distante é a chamada radiação Terahertz (THz) ou intervalo THz, ou seja, normalmente frequências entre 100 GHz e 30 THz. A radiação Terahertz encontra aplicações em diversos campos, como medicina, segurança, etc.1,2. Comutação fotocondutiva, retificação óptica, fotocorrente transitória em plasma de ar e geração de diferença de frequência constituem técnicas empregadas para a geração de radiação THz . Além disso, a emissão de THz a partir de materiais magnéticos, utilizando o grau de liberdade de spin, ganhou recentemente popularidade como uma estrutura promissora para a geração de radiação de banda larga sem quaisquer lacunas de absorção de fônons e com intensidade comparável à fonte padrão de telureto de zinco THz .

Existem vários mecanismos possíveis que podem explicar a geração de THz em sistemas baseados em spin. Beaurepaire et al.16 descobriram a desmagnetização ultrarrápida (UDM) em 1996, mostrando que um filme de Ni ferromagnético (FM) quando desmagnetizado em uma escala de tempo subpicossegundo por uma excitação de pulso de laser de femtosegundo (fs) gera radiação THz . A radiação THz é, neste caso, proporcional à segunda derivada do tempo da magnetização e mostra uma dependência linear da espessura da camada FM. Recentemente, Kampfrath et al.14,19 descobriram um mecanismo alternativo para geração de THz, que utiliza o efeito Hall de spin inverso (iSHE) ou efeito Rasbha Edelstein inverso (iREE). Aqui, o mecanismo de geração requer uma heteroestrutura magnética que consiste em uma camada FM e uma camada não magnética (NM) que possui uma alta eficiência de conversão spin-to-charge (S2C). Neste mecanismo, a amplitude da emissão THz é altamente dependente da eficiência de conversão S2C. Recentemente, foi demonstrado que emissores THz podem ser projetados usando uma única camada FM, que utiliza o fenômeno do efeito Hall anômalo (AHE) . Por um lado, o mecanismo UDM depende das propriedades de volume de uma única camada FM, enquanto por outro lado, o mecanismo AHE corresponde a um efeito combinado de propriedades de interface e de volume, que será discutido mais detalhadamente abaixo.

Um pulso de laser fs, quando incidente em uma camada FM, excitará elétrons quentes na camada FM. O sistema atinge o equilíbrio por meio de interações elétron-elétron, elétron-fônon e elétron-magnon. Antes de atingir o equilíbrio em relação às interações elétron-elétron, os elétrons quentes adquirem uma velocidade da ordem \(10^6\) m/s e se movem dentro da camada FM de maneira superdifusiva . Ao atingir as interfaces FM/dielétricas, conforme indicado na Fig. 1, os elétrons refletem de volta das interfaces para formar uma corrente líquida de refluxo (\(j_{bf}\)) ao longo da direção da espessura do filme . Na presença do AHE, \(j_{bf}\) é convertido em uma corrente transitória (\(j_t\)) definida como \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\) ), onde \(\theta _{AHE}\) e m são o ângulo Hall anômalo e a direção de magnetização, respectivamente. A corrente líquida de refluxo depende das propriedades dielétricas das interfaces, sua rugosidade e propriedades da camada FM, como \(\theta _{AHE}\) e m.