Preuve directe d'une émission térahertz résultant d'un effet Hall anormal

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5988 (2023) Citer cet article

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Une compréhension détaillée des différents mécanismes responsables de l'émission térahertz (THz) dans les matériaux ferromagnétiques (FM) aidera à concevoir des émetteurs THz efficaces. Dans ce rapport, nous présentons des preuves directes de l'émission THz à partir de films minces FM monocouches de Co\(_{0,4}\)Fe\(_{0,4}\)B\(_{0,2}\) (CoFeB). Le mécanisme dominant responsable de l'émission THz est l'effet Hall anormal (AHE), qui est un effet d'un courant de reflux net dans la couche FM créé par le courant polarisé en spin réfléchi aux interfaces de la couche FM. L'émission THz de l'émetteur CoFeB basé sur AHE est optimisée en faisant varier son épaisseur, son orientation et la fluence de pompe du faisceau laser. Les résultats des mesures de transport électrique montrent que la diffusion asymétrique des porteurs de charge est responsable de l'émission THz dans l'émetteur THz basé sur CoFeB AHE.

La région du spectre électromagnétique située entre le rayonnement proche des micro-ondes et l'infrarouge lointain est ce que l'on appelle le rayonnement Terahertz (THz) ou THz gap, c'est-à-dire généralement des fréquences comprises entre 100 GHz et 30 THz. Le rayonnement térahertz trouve des applications dans divers domaines, comme la médecine, la sécurité, etc.1,2. La commutation photoconductrice, la rectification optique, le photocourant transitoire dans le plasma d'air et la génération de fréquences différentielles constituent des techniques utilisées pour la génération de rayonnement THz3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. De plus, l’émission THz à partir de matériaux magnétiques, utilisant le degré de liberté de spin, a récemment gagné en popularité en tant que cadre prometteur pour la génération de rayonnement à large bande sans aucune lacune d’absorption des phonons et avec une intensité comparable à celle de la source THz standard en tellurure de zinc .

Il existe plusieurs mécanismes possibles pouvant expliquer la génération de THz dans les systèmes basés sur le spin. Beaurepaire et al.16 ont découvert la démagnétisation ultrarapide (UDM) en 1996, montrant qu'un film de Ni ferromagnétique (FM) lorsqu'il est démagnétisé sur une échelle de temps subpicoseconde par une excitation d'impulsion laser femtoseconde (fs) génère un rayonnement THz17. Le rayonnement THz est dans ce cas proportionnel à la dérivée seconde de la magnétisation18 et montre une dépendance linéaire de l'épaisseur de la couche FM. Récemment, Kampfrath et al.14,19 ont découvert un mécanisme alternatif pour la génération de THz, qui utilise l'effet Hall de spin inverse (iSHE) ou l'effet Rasbha Edelstein inverse (iREE). Ici, le mécanisme de génération nécessite une hétérostructure magnétique constituée d'une couche FM et d'une couche non magnétique (NM) possédant une efficacité de conversion spin-charge (S2C) élevée. Dans ce mécanisme, l’amplitude de l’émission THz dépend fortement de l’efficacité de la conversion S2C. Récemment, il a été démontré que les émetteurs THz peuvent être conçus en utilisant une seule couche FM, qui utilise le phénomène anormal à effet Hall (AHE)20,21,22,23. D'une part, le mécanisme UDM repose sur les propriétés globales d'une seule couche FM, tandis que d'autre part, le mécanisme AHE correspond à un effet combiné des propriétés d'interface et de masse, qui seront discutées plus en détail ci-dessous.

Une impulsion laser fs incidente sur une couche FM excitera les électrons chauds dans la couche FM. Le système atteint l’équilibre grâce aux interactions électron-électron, électron-phonon et électron-magnon. Avant d'atteindre l'équilibre par rapport aux interactions électron-électron, les électrons chauds acquièrent une vitesse d'ordre \(10^6\) m/s et se déplacent dans la couche FM de manière super-diffusive24,25. Lorsqu'ils atteignent les interfaces FM/diélectrique, comme indiqué sur la figure 1, les électrons se réfléchissent depuis les interfaces pour former un courant de reflux net (\(j_{bf}\)) dans le sens de l'épaisseur du film25. En présence de l'AHE, \(j_{bf}\) est converti en un courant transitoire (\(j_t\)) défini comme \(j_t = \theta _{AHE} (m \times j_{bf}\) ), où \(\theta _{AHE}\) et m sont respectivement l'angle de Hall anormal et la direction de magnétisation. Le courant de reflux net dépend des propriétés diélectriques des interfaces, de leur rugosité et des propriétés de la couche FM, telles que \(\theta _{AHE}\) et m.