Спинтронный детектор терагерцовых колебаний Российский патент 2022 года по МПК G01N21/3581 

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для детектирования колебаний в диапазоне частот 0,1-5 ТГц.

Известен детектор терагерцового диапазона (CN 110044476А, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 23.07.2019) на основе гетероструктуры, содержащей слой антиферромагнитного материала, слой немагнитного металла и электродный слой. При воздействии внешнего терагерцового излучения на слой антиферромагнитного материала, в нем возникают колебания вектора Нееля. На границе раздела антиферромагнетик - немагнитный металл происходит преобразование спиновых волн в электрический ток вследствие обратного спинового эффекта Холла. Сигнал детектируется с помощью электродов, расположенных на слое немагнитного металла.

Описан терагерцовый детектор (CN 209927303U, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 10.01.2020), основанный на вращающем моменте антиферромагнитной спиновой орбиты. Он выполнен в виде гетероструктуры, содержащей слои антиферромагнитного и ферромагнитного материалов, выращенные на монокристаллической подложке. Детектор реализует инжекцию спина из слоя ферромагнитного материала в слой антиферромагнитного материала, в котором возникают самовозбуждающиеся колебания вектора Нееля. Внешнее терагерцовое излучение возбуждает прецессию намагниченности подрешеток антиферромагнетика. Обнаружение терагерцового сигнала реализуется путем измерения интенсивности намагничивания слоя антиферромагнитного материала. Недостаток указанных устройств состоит в невозможности перестройки диапазона рабочих частот таких детекторов.

Наиболее близким к патентуемому устройству является детектор терагерцового и субтерагерцового диапазонов (US 2021109172А1, UNIV CALIFORNIA, 15.04.2021 - прототип), включающий гетероструктуру, источник магнитного поля и электрическую цепь. Гетероструктура состоит из последовательно расположенных на подложке антиферромагнитного слоя и слоя тяжелого металла. Источник магнитного поля создает магнитное поле, ориентированное параллельно легкой оси антиферромагнитного слоя и параллельно направлению распространения электромагнитного излучения. Облучение антиферромагнитного слоя внешним электромагнитным излучением, имеющим терагерцовую или субтерагерцовую частоту, приводит к возникновению спинового тока в слое антиферромагнетика. На границе слоя антиферромагнетика и тяжелого металла происходит конвертация спинового тока в электрический. Электрический ток регистрируется с выходных электродов, расположенных на слое тяжелого металла. Недостаток устройства заключается в низкой чувствительности такого детектора.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания детектора терагерцового излучения, рабочую частоту которого можно перестраивать посредством управления постоянным магнитным полем, с обеспечением высокой чувствительности.

Детектор терагерцовых колебаний содержит гетероструктуру на основе последовательно расположенных слоя антиферромагнитного материала, слоя немагнитного металла и приемных электродов.

Гетероструктура выращена на прозрачной для терагерцового излучения подложке. Слой антиферрромагнетика выполнен в виде гребенчатой структуры, антиферромагнитный материал представляет собой одноосный антиферромагнитный изолятор с легкой осью анизотропии. Вектор намагниченности источника постоянного магнитного поля направлен параллельно легкой оси слоя антиферромагнитного материала.

Антиферромагнитный материал может быть выполнен из MnF₂, FeF₂ или Сr₂O₃, а немагнитный металл представляет собой Pt, Та или W.

Технический результат - возможность перестройки рабочей частоты детектора при повышении чувствительности к детектируемому терагерцовому сигналу.

Существо изобретения представлено на чертежах, где:

Фиг. 1 - структура детектора.

Фиг. 2 - зависимость частоты со антиферромагнитного (АФМ) резонанса от напряженности Н постоянного магнитного поля.

Фиг. 3 - зависимость выходного постоянного напряжения от частоты входного воздействия для трех значений напряженности магнитного поля.

Фиг. 4 - зависимость чувствительности детектора от напряженности постоянного магнитного поля.

Фиг. 5 - зависимость выходного постоянного напряжения от количества штырей из антиферромагнетика в гребенчатой структуре.

На фиг. 1 представлена структура устройства детектирования терагерцовых колебаний, которое содержит многослойную гетероструктуру, содержащую размещенные на подложке 1 последовательно расположенные слой антиферромагнитного материала 2 в виде гребенчатой структуры со штырями 21, слоя немагнитного металла 3 и электроды 4 и 5. Токопровод 6 соединяет слой 3 и электроды 4 и 5 с регистратором 7 (вольтметром).

Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.

Слой антиферромагнетика 2 в виде гребенчатой структуры может быть выполнен из одноосного антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, MnF₂, FeF₂ или Сr₂О₃. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.

Отношение периода Т штырей гребенчатой структуры к их ширине W составляет от 2,0 до 5,0, причем чем больше это отношение, тем меньше выходное постоянное напряжение. Примерные размеры: ширина W штырей 21 составляет 10 мкм, период Т штырей 21 составляет 20 мкм.

Подложка 1 может быть выполнена из немагнитного диэлектрика, например: SiO₂, MgO, Аl₂О₃, SrTiO₃, LiNbO₃ или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Латеральные размеры неограниченны, но площадь подложки 1 должна быть больше размеров слоя антиферромагнетика 2 и слоя немагнитного металла 3.

Слой немагнитного металла 3 может быть выполнен из Pt, Та или W и может иметь толщину от 5 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм. Электроды 4 и 5 могут быть выполнены из металла высокой проводимости, например, золота. Толщина электродов варьируется от 1 нм до 1 мкм. Токопровод 6 может быть выполнен из металла высокой проводимости, например, меди или платины.

Принцип функционирования детектора состоит в следующем.

Гетероструктура ориентирована параллельно как постоянному магнитному полю 9, так и направлению распространения регистрируемой ТГц волны 8. Переменное электромагнитное поле ТГц волны 8 индуцирует крутящий момент, который действует на магнитные подрешетки антиферромагнитного материала и вызывает колебания вектора Нееля вблизи легкой оси анизотропии. Благодаря механизму спиновой накачки в антиферромагнитном слое 2 возникает спиновый ток. Данный ток конвертируется в электрический ток в слое немагнитного металла 3. Посредством обратного спинового эффекта Холла возникает электрическое поле между электродами 4 и 5, что приводит к возникновению постоянного электрического напряжения, которое можно детектировать с помощью вольтметра 7.

Перестройка частоты антиферромагнитного резонанса осуществляется постоянным магнитным полем 9. Изменение напряженности постоянного магнитного поля 9 приводит к изменению частоты антиферромагнитного резонанса. Зависимость частоты антиферромагнитного резонанса от напряженности постоянного магнитного поля представлена на фиг. 2.

Увеличение частоты электромагнитного поля ТГц волны 8 приводит к резонансной зависимости выходного постоянного напряжения, как видно на фиг. 3, причем величина выходного постоянного напряжения при резонансе увеличивается при увеличении напряженности постоянного магнитного поля 9. Кроме того, увеличение напряженности постоянного магнитного поля 9 приводит к повышению чувствительности детектора, как показано на фиг. 4.

Изменяя количество штырей 21 из антиферромагнетика в гребенчатой структуре, можно изменять величину выходного постоянного напряжения. Зависимость выходного постоянного напряжения от количества штырей из антиферромагнетика в гребенчатой структуре представлена на фиг. 5. Зависимость имеет линейный характер.

Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры детектора терагерцовых колебаний могут регулироваться посредством постоянного магнитного поля 9, и, тем самым, расширяются функциональные возможности детектора. Кроме того, использование гребенчатой структуры позволяет увеличить значение выходного постоянного напряжения, величина которого линейно зависит от количества штырей из антиферромагнетика в гребенчатой структуре.

Использование: для детектирования колебаний в диапазоне частот 0,1-5 ТГц. Сущность изобретения заключается в том, что детектор терагерцовых колебаний содержит гетероструктуру на основе последовательно расположенных на подложке слоев антиферромагнетика и немагнитного металла и приемных электродов, связанных с регистратором, при этом гетероструктура выполнена на прозрачной для терагерцового излучения подложке, антиферромагнетик представляет собой одноосный антиферромагнитный изолятор с легкой осью анизотропии, который нанесен на подложку в виде штыревой гребенчатой структуры, при этом гетероструктура включает средство для перестройки рабочей частоты, выполненное в виде источника постоянного магнитного поля, вектор напряженности которого направлен параллельно легкой оси антиферромагнитного материала. Технический результат: расширение функциональных возможностей регулирования параметров детектора посредством перестройки частоты постоянным магнитным полем, увеличение значения выпрямленного напряжения при резонансе. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Детектор терагерцовых колебаний, содержащий гетероструктуру на основе последовательно расположенных на подложке слоев антиферромагнетика и немагнитного металла и приемных электродов, связанных с регистратором,

отличающийся тем, что

гетероструктура выполнена на прозрачной для терагерцового излучения подложке, антиферромагнетик представляет собой одноосный антиферромагнитный изолятор с легкой осью анизотропии, который нанесен на подложку в виде штыревой гребенчатой структуры, при этом гетероструктура включает средство для перестройки рабочей частоты, выполненное в виде источника постоянного магнитного поля, вектор напряженности которого направлен параллельно легкой оси антиферромагнитного материала.

2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что отношение периода Т штырей гребенчатой структуры к их ширине W составляет от 2,0 до 5,0.

3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что антиферромагнитный материал представляет собой MnF₂.

4. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что немагнитный металл представляет собой платину.

5. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из MgO.