新技術:物理學家采用自旋電流生成太赫茲波!

時間:2019-03-05 10:26來源:新浪看點作者:yeyan 點擊:
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摘要:近日,德國凱澤斯勞滕工業大學(TUK)的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法。他們利用了磁性金屬納米結構中的量子磁電流,也稱為“自旋電流”。這種低成本、節材的技術有望應用于工業領域。

關鍵字:太赫茲技術,飛秒激光,自旋電子學

  近日,德國凱澤斯勞滕工業大學(TUK)的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法。他們利用了磁性金屬納米結構中的量子磁電流,也稱為“自旋電流”。這種低成本、節材的技術有望應用于工業領域。
 

  太赫茲波是指頻率范圍在 100GHz 到 10THz 之間,介于微波和紅外線之間的電磁波,它對于人眼來說不可見。因為能量較低,所以我們無需擔憂它會對人體產生影響。如今,太赫茲技術是受到世界各國廣泛重視的前沿科技領域之一。
 

新技術:物理學家采用自旋電流生成太赫茲波!

  (圖片來源:維基百科)
 

  相對于其他類型的電磁波段,太赫茲技術的優勢在于以下幾點:第一,它和X光以及聲波一樣,可以穿透物體表面成像;第二,它的頻率很高,因此空間分辨率也很高;第三,因為其脈沖很短(皮秒量級),所以具有很高的時間分辨率。
 

  太赫茲技術主要滿足了兩方面的需求:第一,更高帶寬的無線通信系統;第二,安全應用。就無線通信方面來說,大數據、物聯網、高清電視、社交媒體的蓬勃發展,都要求無線通信帶寬進一步提升,頻譜資源進一步拓展。然而,太赫茲波的通信數據率可高達100 Gbit/s,它所在的工作頻率也尚未得到充分利用。就安全應用的方面來說,不同的化學物質,可在不同的程度上,吸收不同頻率的太赫茲輻射,從而表現出獨特的頻率特征,因此太赫茲輻射,已廣泛應用安檢,此外,它還可以區分墨水和白紙,這些都是X光無法完成的。
 

  此外,太赫茲技術還可應用于通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、軍事、材料檢測等諸多領域。之前,筆者在幾篇文章中都介紹過太赫茲技術的創新研究成果。
 

  然而,生成太赫茲波通常需要強大的輻射源,例如發射器。這通?;崠錘吣芎暮透叱殺?。
 

  創新
 

  為了解決上述問題,近日德國凱澤斯勞滕工業大學(TUK)的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法。他們利用了磁性金屬納米結構中的量子磁電流,也稱為“自旋電流”。這種低成本、節材的技術有望應用于工業領域。
 

新技術:物理學家采用自旋電流生成太赫茲波!

  (圖片來源:TUK/Thomas Koziel)
 

  這項研究發表于科學雜志《科學報告》(Scientific Reports)。這項研究的主要成員 Evangelos Papaioannou 副教授的研究小組是TUK 物理系 Burkard Hillebrands 教授領導磁性研究小組的一部分。Papaioannou 團隊也是德國國家光學和材料科學研究中心(OPTIMAS)的一部分,它由萊茵蘭普法爾茨州資助。R. Beigang 教授和 G. Torosyan 博士也對這項研究作出了貢獻,他們都是太赫茲領域的專家。
 

  技術
 

  凱澤斯勞滕工業大學的研究人員開發出一種非常高效,同時更加低成本的方法,即使用自旋電流。它類似于普通電流,在其中電荷,即電子,在流動。Evangelos Papaioannou 表示:“自旋描述了準粒子(例如電子)的內稟角動量。它構成了所有磁現象的基礎。簡單說,電子圍繞著它的軸左旋或者右旋,如同一只旋轉的陀螺。”
 

  Papaioannou 研究團隊為了應用這項技術,開發出一種特別的納米結構。物理學家是如此描述這個結構的:“它由磁離子金屬雙層和非磁鉑組成。它們非常薄,只有幾個納米的厚度。”
 

  為了生成太赫茲波,研究人員使用了一種飛秒激光器,它可以激發出極短的激光脈沖。結果,下面的情況發生了:“當激光脈沖照射到納米結構上時,它們激發了離子薄膜中的電子,創造出自旋電流。”這種電流流入鄰近的鉑層。這里出現了一種特殊的物理現象:逆自旋霍爾效應。對于鉑來說,這種效應被發現已經有些時間了。它的出現與金屬的原子結構相關。“鉑的原子核使得電子向相反方向偏轉,即左手或者右手自旋,從而導致自旋電流變化為超高速的瞬態電荷流,然后變成太赫茲波的發射源。”
 

新技術:物理學家采用自旋電流生成太赫茲波!

  (圖片來源:TUK)
 

  作為實驗裝置的一項特殊功能,小型硅鏡頭被連接到該結構上。這位年輕的教授繼續說:“我們正在集束這些波。”通過這種方法,未來太赫茲波可簡單高效地應用。
 

  在他們最近發表的論文中,研究人員揭示,在眾多因素中,材料層的厚度和排列必須進行最佳的設計,才能制造出太赫茲波。
 

  價值
 

  太赫茲自旋電子學技術是一個新興的研究領域。只有到了最近,柏林的同事們才首次演示了自旋電流可以生成太赫茲波??笏估碗ひ蕩笱а芯咳嗽鋇墓ぷ鶻沂境鲆惶跤嘔⑸淦韉男巒揪?,讓他們可以達到最高效率。這也使得他們更加廉價、更多應用于各個領域,例如安全技術、材料測試和新興技術,以及基礎研究。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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