最近，南方科技大学电子与电气工程系张新海教授课题组在太赫兹自旋电子学领域取得了一些新的进展。在奈尔温度附近，利用飞秒激光在含反铁磁材料结构中激发太赫兹辐射，发现了反铁磁材料在太赫兹产生的过程中起到了对自旋电流的产生与传输的作用。研究成果以“Terahertz emission from CoFeB/Cr/Pt trilayers: The role of Cr as both a spin current transporter and generator”为标题发表在物理学期刊Applied Physics Letter （Cite score: Physics and Astronomy 一区）。

在本次工作中，课题组用飞秒激光在CoFeB/Cr/Pt材料结构中进行激发产生太赫兹辐射，从而研究了自旋电流在该种结构的传输过程及原理。在之前的工作中，课题组已经证明了通过太赫兹的时域光谱（temporal profile）以及磁场相关性（field dependence）可以探究自旋电流分别在铁磁结构（FM）和人工反铁磁结构（synthetic AFM）对太赫兹辐射的贡献。在这里课题组选用Cr作为反铁磁材料进行研究，是因为Cr的自旋霍尔角（spin Hall angle）很小，消除了自旋-电荷转换（spin to charge conversion）对实验的影响；另一个原因是因为Cr在奈尔温度左右能保持反铁磁态，从而可能产生新的自旋传输现象；并且，在CoFeB/Cr界面处的自旋电流来源于Cr层的非补偿自旋（uncompensated spin），该自旋电流在Pt层通过自旋-电荷转换产生了太赫兹信号。

同时，课题组研究了CoFeB/Cr/Pt太赫兹信号在不同Cr厚度的椭圆率（ellipticity）之间的关系，发现太赫兹时域信号的时延差别。在Cr层厚度为2 nm时，椭圆率最大。当Cr厚度小于2 nm时，椭圆率呈现上升趋势是由于Cr的扩散长度和厚度相差不大，自旋电子在CoFeB/Cr的界面处传输时会发生弹性碰撞。当Cr厚度大于2 nm时，CoFeB的自旋电流的贡献增加，椭圆率降低，最后达到线偏振。当然，磁振子（magnon）也会对椭圆率造成影响，这也是后续工作需要跟进研究的。

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，合作作者为16级本科生陈壮壮，现任南科大电子系研究助理。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。

图：CoFeB/Cr/Pt太赫兹信号在不同Cr厚度的椭圆率的关系

DOI: https://doi.org/10.1063/5.0053951

课题组在太赫兹自旋电子学领域的相关成果：

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

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054027

DOI: https://doi.org/10.1117/12.2569540

DOI: https://doi.org/10.1117/12.2526554