Терагерцевые излучатели широко используются в медицине и технике: врачи с их помощью выявляют опухоли, сотрудники аэропортов – сканируют багаж, искусствоведы – проверяют подлинность картин. Подвидом таких устройств являются спинтронные излучатели, которые преобразуются 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 (например, кобальта), способного под воздействием лазерных импульсов очень быстро размагничиваться. При размагничивании металла возникает так называемый спиновый ток – явление, когда между атомами переносится магнитный момент, а не заряд, как это происходит в случае обычного электрического тока. Спиновый ток достигает второго – немагнитного – слоя, состоящего 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. Свой ответ на этот вопрос предложили ученые из Физико-технического института. По их мнению, для формирования связи между кобальтовым и платиновым слоями необходим промежуточный слой с плавным градиентом этих металлов. Ученые получили промежуточный слой с кристаллической структурой, прибегнув к магнетронному распылению сплавов кобальта и платины различной концентрации.
Затем ученые провели эксперимент, в ходе которого подавали сверхкороткие лазерные импульсы и измеряли временной профиль генерируемого ТГц-излучения. Выяснилось, что градиентный слой смог вдвое увеличить эффективность преобразования энергии лазерного импульса в ТГц-излучение в сравнении с традиционными структурами, у которых не было плавного перехода между слоями. Ученые пришли к выводу, 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», – цитирует Физико-технический институт Леонида Шелухина, одного из участников исследования.
