近日，南方科技大学电子与电气工程系教授张新海课题组在太赫兹自旋电子学领域取得了研究进展，利用飞秒激光激发太赫兹辐射研究了人工反铁磁材料结构的太赫兹辐射特性以及结构中铁磁层翻转的问题，提升了太赫兹辐射，提出了利用太赫兹辐射偏振态作为判断人工反铁磁结构中铁磁层翻转的方法。研究成果发表于物理学领域权威期刊Physical Review Applied。

（DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.054016）

自旋电子学太赫兹源利用飞秒激光激发磁性结构来产生太赫兹辐射，有高转化效率，宽频谱，磁控偏振的特点。产生太赫兹的关键是利用材料中的自旋-电荷转化来产生辐射太赫兹的电偶极子。常用的自旋电子学太赫兹源结构为铁磁/非磁性金属或者单层铁磁结构。在之前的工作中，课题组提出了利用反常霍尔效应（AHE）的自旋-电荷转化作为产生太赫兹辐射的机理（Phys. Rev. Applied 12, 054027）。除此之位逆自旋霍尔效应（ISHE），逆Rashba效应（IREE）导致的自旋-电荷转化也可以用来作为产生自旋电子学太赫兹辐射的机理。但目前自旋电子学太赫兹源的强度提升和磁场调控特性是该领域面临的主要挑战之一。

图一：（a）FeMnPt/Ru/FeMnPt太赫兹源，（b）Pt/CoFeB/Ru/CoFeB/Pt太赫兹源，（c）太赫兹探测示意图。

图二：（a-c）飞秒激光激发下的热平衡过程，（d）自旋电流，电荷电流示意图。

张新海课题组采用FM/Ru/FM结构构成两种人工反铁磁结构太赫兹源FeMnPt/Ru/FeMnPt和Pt/CoFeB/Ru/CoFeB/Pt（图一）。在零面内磁场时，结构中两层铁磁的磁性指向相反，且自旋电流流动方向相反（图二），导致两层铁磁材料均产生相同极性的太赫兹辐射，提升太赫兹辐射的强度，强度可达等效厚度的单层铁磁和铁磁/非磁性金属的太赫兹源的两倍（图三）。相较于之前的单层铁磁和铁磁/非磁性金属的太赫兹源，人工反铁磁结构太赫兹源有着零磁场强太赫兹辐射和磁场可调太赫兹强度的特性。

图三：（a）FeMnPt/Ru/FeMnPt的太赫兹辐射，（b）Pt/CoFeB/Ru/CoFeB/Pt的太赫兹辐射，（c）不同泵浦功率下的太赫兹辐射

通过macro-spin模拟和不同磁场下太赫兹偏振态的测量，课题组提出了利用太赫兹辐射来探测人工反铁磁结构中铁磁层翻转的方法：Eq.(1) 太赫兹偏振态表达式，Eq.(2)  macro-spin模拟表达式。利用macro-spin模拟和太赫兹偏振的对比，可以判断各铁磁层的翻转（图四，图五，图六）。

图四：FeMnPt/Ru/FeMnPt的macrospin simulation

图五：Pt/CoFeB/Ru/CoFeB/Pt的macrospin simulation

图六：太赫兹偏振态测量

论文第一作者为张新海课题组17级新加坡国立大学联培博士生张齐，南科大电子系张新海教授和新加坡国立大学Wu Yihong教授为论文共同通讯作者。合作作者为上海科技大学信息学院助理教授杨雨梦教授，新加坡国立大学博士后罗紫彦和徐炎骏，新加坡国立大学苏州研究院聂荣翔。

本研究得到了深圳市孔雀计划和深圳市科创委的资助。