РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 963-966
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.67
СТИМУЛИРОВАННОЕ ТЕРАГЕРЦЕВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
© 2015 г. Ю. В. Гуляев1, Е. А. Вилков1, П. Е. Зильберман1, Г. М. Михайлов2, А. В. Черных2, С. Г. Чигарев1
1Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 141190 Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 2Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Российская Федерация, 142432 Черноголовка Московской обл., ул. Академика Осипьяна, 6
E-mail: zil@ms.ire.rssi.ru Поступила в редакцию 25.03.2015 г.
Представлены данные, свидетельствующие о наблюдении стимулированного терагерцевого излучения в магнитных переходах, вызванного неравновесными спинами, инжектированными током при комнатных температурах. Исследованы слои двух контактирующих ферромагнетиков и слои ферромагнетика и антиферромагнетика. При увеличении тока сначала наблюдается относительно узкий по частоте изолированный пик излучения (аналог лазерного пика, но на терагерцевых частотах), затем данный пик расширяется по частоте и возрастает по интенсивности более чем на порядок.
DOI: 10.7868/S0033849415090053
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы усилия исследователей многих стран были направлены на освоение наиболее высокочастотной части радиодиапазона, занимающей участок терагерцевых волн. Этот участок условно составляет 0.3...30 ТГц (см. обзор [1] или оригинальные статьи [2, 3]). Стремление к освоению терагерцевых волн можно объяснить существованием перспективных приложений, а также появлением некоторых принципиально новых устройств. В данной статье мы хотели бы привлечь внимание к интересным и новым процессам в магнитоупорядоченных структурах, составленных из ферромагнитных (ФМ), а также из антиферромагнитных (АФМ) металлических слоев. Такие процессы показывают возможность генерации терагерцевых волн в широком интервале температур вследствие нарушения спинового равновесия под влиянием тока.
1. СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Исследована структура "стержень—пленка",
показанная схематически на рис. 1. Механизм
инжекции неравновесных спинов проиллюстри-
рован на рис. 2 и 3, где представлена также схема со-
здания током инверсной заселенности спиновых уровней энергии (подробнее см. в работах [4—6]). В данном эксперименте ФМ-стержень, диаметр d
которого составлял несколько десятков микрон,
был прижат к магнитной пленке малой толщины
(-5...100 нм), например, к ФМ-пленке пермаллоя, железа, кобальта, никеля, магнетита или к АФМ-пленке БеМп, 1гМп. В пленке вблизи то-
чечного контакта была достигнута высокая плотность тока, ~108...109 А/см2. Стержень был использован не только в качестве источника тока, но и спинового поляризатора. Из рис. 1 видно, что внешнее напряжение создает ток в стержне, в пленке и в массивном электроде (см. толстые стрелки). Этот ток поляризуется по спину в ФМ-стержне и течет затем в магнитную пленку. Из рис. 2 и 3 видно, что электроны распределяются по энергии неравновесно: заселенность высокого
Рис. 1. Схема исследуемой структуры: 1 — пленка ФМ или АФМ, 2 — подложка, 3 — стержень, 4 — ячейка Го-лея, 5 — массивный электрод.
6
963
Рис. 2. Структура с ФМ-пленкой: а — общий вид, б — уровни энергии внутри и вне стержня.
по энергии квазиуровня Ферми е Р ^ превышает заселенность низкого по энергии квазиуровня Ферми е р Таким образом и возникает инверсная заселенность спинов за счет инжекции током спинов из точечного контакта. Поэтому понятно, что такие электроны могут совершать квантовые переходы и излучать волны. Частоты излучаемых при этом волн оказываются в терагерцевом диапазоне.
Подобное излучение наблюдалось ранее [6] как спонтанное, т.е. в условиях, когда никакой специально созданной обратной связи излучения с источником предусмотрено не было. В данной работе исследовано влияние положительной обратной связи на излучение. Обратная связь была реализована за счет помещения излучателя в резонатор, и мы наблюдали влияние обратной связи на спектральные характеристики излучения.
2. СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕРАГЕРЦЕВЫХ ВОЛН
Для образования обратной связи к схеме эксперимента следует добавить новый элемент — немагнитный слой из титана 4 (рис. 4). Этот слой должен быть достаточно тонким, чтобы иметь удовлетворительную прозрачность на частотах терагерцевого диапазона. В данном эксперименте
Рис. 3. Структура с АФМ-пленкой: а — общий вид, б — уровни энергии спинов, в — прецессия наведенной намагниченности Мафм вокруг обменного поля.
СТИМУЛИРОВАННОЕ ТЕРАГЕРЦЕВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
965
A, отн. ед. 0.5
3
(а)
50
30 10 X, мкм
A, отн. ед.
10
Рис. 4. Функциональная схема терагерцевого генератора: 1 — стержень, 2 —тонкая АФМ-пленка, 3 — рабочая зона — подложка, 4 — титановое зеркало.
толщина слоя была <10.. .15 нм, а прозрачность 0.3. Пленка 2 и слой 4 на рис. 4 образуют резонатор типа Фабри—Перо.
Для образца, составленного из слоя FeMn (~150 нм) и высокоомной подложки из Si (~5 мм), ближайшие моды резонатора сдвинуты на Af ~ 0.15 ТГц. Поэтому разрешается только полоса частот ~10 ТГц. Частоты излучения и интенсивности измерялись с помощью дифракционных решеток и ячеек Голея, как это было подробно описано в работе [7].
На рис. 5 представлены первые дифракционные гармоники, измеренные при различных токах I. При малых токах (I ~ 80 мА) режим излучения близок к линейному, при котором спектральные компоненты независимы и сравнимы по интенсивности (рис. 5a). Мы видим много мод, возбужденных током. Для промежуточных значе-
A, отн. ед.
(б)
50
30
10 X, мкм
(в)
50
30
10 X, мкм
Рис. 5. Спектры излучения А(Х) при различных значениях тока Iчерез немагнитный слой из титана: Iя 80 (а), «120 (б) и >300 мА (в).
1
ний токов (I ~ 120 мА) появляется изолированный доминирующий пик (рис. 5б), вызванный стимулированным излучением. Этот пик аналогичен пику излучения лазера, но появляется на терагерцевых частотах. Можно, видимо, говорить о работе терагецевого квантового генератора, "твазера" (twaser). При самых больших токах (I > 300 мА) доминирующий пик расширяется и возрастает (рис. 5в). Это происходит под действием двух факторов: стимулированной эмиссии и нелинейных процессов. Мы наблюдаем здесь новое интересное явление — турбулентное состояние терагерцевых волн.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, показано, что обратная связь в излучающих магнитных переходах может оказаться несущественной при достаточно слабых токах, при которых излучается только радиационный шум малой интенсивности и наблюдаются многие сравнимые по амплитуде моды излучения. Однако ситуация кардинально изменяется при возрастании тока. Возникает изолированный доминирующий пик, узкий по частоте. Предполагаем, что этот пик превышает прочие пики за счет вклада стимулированных процессов излучения в резонаторе. Таким образом, считаем, что наблюдаемое усиление терагерцевых волн возникало за счет стимулированного излучения, по аналогии с лазером.
При дальнейшем увеличении тока доминирующий пик уширяется и охватывает почти всю полосу
нестабильных частот. Максимальные амплитуды возрастают более чем на порядок. Видимо, два типа процессов — стимулированная эмиссия тера-герцевых волн и нелинейное взаимодействие их друг с другом — действуют одновременно. В результате возникает новое интересное состояние терагерцевой электромагнитной турбулентности. Турбулентные движения широко изучались и ранее, однако терагерцевая турбулентность не рассматривалась.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 13-02-12427, № 13-07-00259-a, № 15-07-03907).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Williams B.S. // Nature Photonics. 2007. V. 1. № 9. P. 517.
2. Liu S., Zhang C., Hu M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. № 20. P. 201104.
3. McBryde D, Gow P., Berry S.A. et al. // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. № 20. P. 201108.
4. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Маликов И.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 93. № 5. С. 289.
5. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Касаткин С.И. и др. // РЭ. Т. 58. № 7. С. 704.
6. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Михайлов Г.М., Чи-гарев С.Г. // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 11. С. 802.
7. Чигарев С.Г., Маликов И.В., Михайлов Г.М. // РЭ. 2013. Т. 58. № 3. С. 270.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.