RU2742569C1 - Oscillator for terahertz generator - Google Patents
Oscillator for terahertz generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742569C1 RU2742569C1 RU2020118778A RU2020118778A RU2742569C1 RU 2742569 C1 RU2742569 C1 RU 2742569C1 RU 2020118778 A RU2020118778 A RU 2020118778A RU 2020118778 A RU2020118778 A RU 2020118778A RU 2742569 C1 RU2742569 C1 RU 2742569C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- antiferromagnetic
- oscillator
- platinum
- dielectric
- Prior art date
Links
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000003057 platinum Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 230000005329 antiferromagnetic resonance Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для генерации и приема излучения в диапазоне частот 0.1-5 ТГц.The invention relates to applied physics and can be used in measuring technology for generating and receiving radiation in the frequency range 0.1-5 THz.
Известно, что терагерцовое излучение характеризуется частотным диапазоном длин волн 1-0,1 см и соответствующим диапазоном частот 0,3-3 ТГц. Данное излучение имеет широкое практическое применение в медицине и устройствах безопасности, а также для спектроскопии веществ и в астрономии.It is known that terahertz radiation is characterized by a wavelength range of 1-0.1 cm and a corresponding frequency range of 0.3-3 THz. This radiation has wide practical application in medicine and safety devices, as well as for spectroscopy of substances and in astronomy.
Известны различные источники терагерцового излучения, использующие эффекты в ферромагнитных средах.Various sources of terahertz radiation are known, using effects in ferromagnetic media.
Описан твердотельный источник электромагнитного излучения (RU 2344528 С1, ИРЭ РАН, 20.01.2009) для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Он выполнен в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из ферромагнитных проводящих материалов. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что частота генерируемого сигнала определяется материальными и геометрическими параметрами структуры и внешним магнитным полем, в связи с чем перестройка частоты представляется затруднительной в случае, когда присутствие внешнего магнитного поля нежелательно.A solid-state source of electromagnetic radiation (RU 2344528 C1, IRE RAS, January 20, 2009) is described for generating terahertz radiation due to transitions of charge carriers between spin energy subbands in ferromagnetic conducting materials. It is made in the form of a multilayer structure containing three layers of ferromagnetic conductive materials. The first layer, which is the injector of spin-polarized electrons, the second layer is the working layer, where radiation arises due to radiative transitions of charge carriers between the spin energy subbands, the third layer is for receiving spent electrons from the second layer. The disadvantage of such a device is that the frequency of the generated signal is determined by the material and geometrical parameters of the structure and the external magnetic field, and therefore the frequency tuning is difficult in the case when the presence of an external magnetic field is undesirable.
Известен твердотельный источник электромагнитного излучения (RU 2464683 С1, ИРЭ РАН, 20.10.2012), содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, причем контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем. Недостатком устройства, также как и в предыдущем изобретении RU 2344528 С1, является сложность в перестройке частоты генерируемого сигнала.Known solid-state source of electromagnetic radiation (RU 2464683 C1, IRE RAS, 20.10.2012), containing a power source, a working layer made in the form of a film of a conductive ferromagnetic material, located on a substrate of a dielectric or semiconductor, transparent for radiation of the operating wavelength range, a cylindrical rod with a pointed end made of a conductive ferromagnetic material, connected to one of the poles of the power source, a plate of conductive material with a through hole, contacting with the working layer and connected to the other pole of the power source, the hole diameter exceeds the diameter of the rod, and the rod itself enters this hole so that its pointed end is in contact with the working layer. The disadvantage of the device, as well as in the previous invention RU 2344528 C1, is the difficulty in tuning the frequency of the generated signal.
Из заявки WO 2018017018 (A1), NAT UNIV SINGAPORE, 25.01.2018 известен источник ТГц излучения на основе двуслойной структуры из слоя ферромагнитного металла и слоя немагнитного металла, например, платины или вольфрама, нанометровых толщин. С помощью лазера на ферромагнитный слой перпендикулярно ему посылается импульс излучения, вызывающий возбуждение спин-поляризованных электронов. Данное возбуждение приводит к возникновению спинового тока на пикосекундных масштабах времени, который преобразуется в электрический ток в силу обратного спин-орбитального взаимодействия, обусловленного обратным спиновым эффектом Холла и/или обратными спин-орбитальными моментами. Возникший переменный электрический ток вызывает электромагнитную волну терагерцовой частоты.From WO 2018017018 (A1), NAT UNIV SINGAPORE, 01/25/2018, a THz radiation source is known based on a two-layer structure of a ferromagnetic metal layer and a non-magnetic metal layer, for example platinum or tungsten, nanometer thick. With the help of a laser, a radiation pulse is sent to the ferromagnetic layer perpendicular to it, which causes the excitation of spin-polarized electrons. This excitation leads to the emergence of a spin current on picosecond time scales, which is converted into an electric current due to the reverse spin-orbit interaction due to the inverse spin Hall effect and / or inverse spin-orbital moments. The resulting alternating electric current causes an electromagnetic wave of terahertz frequency.
Недостатком изобретения является необходимость использования лазера пикосекундной длительности для индукции спиновой динамики, что ограничивает возможности миниатюризации устройства.The disadvantage of the invention is the need to use a laser of picosecond duration for the induction of spin dynamics, which limits the possibility of miniaturization of the device.
Источник ТГц излучения (CN 109256656 A, UNIV SHANDONG, 22.01.2019) описывает наномасштабный осциллятор спинового момента. Он состоит из искусственной антиферромагнитной структуры, немагнитного разделительного слоя и фиксированного магнитного слоя. Фиксированный магнитный слой принимает электрический ток без выделенной спиновой поляризации и преобразует его в спин-поляризованный электрический ток. Искусственная антиферромагнитная структура принимает спин-поляризованный электрический ток, переданный фиксированным магнитным слоем, в результате чего через механизм передачи спинового момента в антиферромагнитной структуре возникает прецессия намагниченности; в результате данной прецессии возникает выходной переменный сигнал. Немагнитный разделительный слой лежит между фиксированным магнитным слоем и искусственной антиферромагнитной структурой для подавления магнитного связывания между ними. Генератор сигналов терагерцовой частоты на основе осциллятора не зависит от приложенного внешнего магнитного поля и может быть управляемым с помощью электрического тока. Недостатком является необходимость пропускания электрического тока через многослойную структуру, что накладывает ограничения на геометрические и материальные параметры структуры.The THz radiation source (CN 109256656 A, UNIV SHANDONG, January 22, 2019) describes a nanoscale spin momentum oscillator. It consists of an artificial antiferromagnetic structure, a non-magnetic separation layer and a fixed magnetic layer. The fixed magnetic layer accepts an electric current without a dedicated spin polarization and converts it into a spin-polarized electric current. An artificial antiferromagnetic structure accepts a spin-polarized electric current transmitted by a fixed magnetic layer, as a result of which a precession of magnetization occurs through the mechanism of spin transfer in the antiferromagnetic structure; as a result of this precession, an output variable signal appears. A non-magnetic spacer layer is sandwiched between the fixed magnetic layer and the artificial antiferromagnetic structure to suppress magnetic coupling between them. The oscillator-based terahertz frequency signal generator is independent of the applied external magnetic field and can be controlled by means of an electric current. The disadvantage is the need to pass an electric current through the multilayer structure, which imposes restrictions on the geometric and material parameters of the structure.
Наиболее близким к патентуемому является осциллятор ТГц частоты, описанный в ст. Khymyn, R. et al. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like Oscillator Driven by Spin Current. Sci. Rep. 7, 43705; doi: 10.1038/srep43705 (2017). Он включает структуру, состоящую из пленки платины и слоя антиферромагнетика. Пленка платины подключена к регулируемому источнику постоянного тока и параллельно к выходному контуру для съема ТГц излучения. Слой антиферромагнетика выполнен из антиферромагнитного материала с трудной осью анизотропии и слабой анизотропией в легкой плоскости. При пропускании тока порядка 107-109 А/см2 через пленку платины электроны разделяются в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента тока с одинаковым направлением спинов на границе со слоем антиферромагнетика вызывает перенос спинового момента в слой антиферромагнетика. В слое антиферромагнетика данный спиновый момент взаимодействует с намагниченностью, вызывая ее движение. В свою очередь данное движение намагниченности вызывает переменный спиновый ток в пленке платины в силу спиновой накачки. Спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток в пленке платины в силу обратного спинового эффекта Холла, который и определяет выходной сигнал терагерцовой частоты. Недостатком данного устройства является наличие порогового электрического тока для начала генерации, величина которого определяется параметрами магнитной анизотропии слоя антиферромагнетика и неизменно в представленном устройстве.The closest to the patented is the THz frequency oscillator described in Art. Khymyn, R. et al. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like Oscillator Driven by Spin Current. Sci. Rep. 7, 43705; doi: 10.1038 / srep43705 (2017). It includes a structure consisting of a platinum film and an antiferromagnet layer. The platinum film is connected to a regulated direct current source and in parallel to the output circuit for THz radiation pickup. The antiferromagnet layer is made of an antiferromagnetic material with a hard axis of anisotropy and weak anisotropy in the easy plane. When a current of the order of 10 7 -10 9 A / cm 2 is passed through a platinum film, the electrons are separated in space along the spin due to the spin Hall effect. The current component with the same spin direction at the interface with the antiferromagnet layer causes the transfer of spin moment to the antiferromagnet layer. In the antiferromagnet layer, a given spin moment interacts with the magnetization, causing it to move. In turn, this motion of magnetization causes an alternating spin current in the platinum film due to spin pumping. The spin current is converted into an alternating electric current in the platinum film due to the inverse spin Hall effect, which determines the output signal of the terahertz frequency. The disadvantage of this device is the presence of a threshold electric current for the start of generation, the value of which is determined by the parameters of the magnetic anisotropy of the antiferromagnet layer and invariably in the presented device.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания осциллятора для генератора терагерцового излучения, параметры которого могут регулироваться посредством двух независимых управляющих величин: электрического тока и упругой деформации посредством пьезоэлемента, управляемого электрическим потенциалом.The present invention is aimed at solving the problem of creating an oscillator for a terahertz radiation generator, the parameters of which can be controlled by means of two independent control values: electric current and elastic deformation by means of a piezoelectric element controlled by an electric potential.
Патентуемый осциллятор для генератора терагерцового излучения включает гетероструктуру на основе слоев антиферромагнитного диэлектрика и платины, образованную на подложке, источник для пропускания постоянного тока по слою платины.The patented oscillator for a terahertz radiation generator includes a heterostructure based on layers of an antiferromagnetic dielectric and platinum, formed on a substrate, a source for passing a direct current through the platinum layer.
Антиферромагнитный диэлектрик выбран из числа веществ, обладающих магнитоупругими свойствами, при этом гетероструктура содержит средство для наведения и регулирования полей магнитной анизотропии в антиферромагнитном диэлектрике, выполненное в виде пьезоэлектрического элемента с двумя электродами для подключения к независимому источнику напряжения, при этом первый электрод размещен на внешней поверхности пьезоэлектрического элемента, а другим электродом является упомянутый слой платины, при этом трудная ось магнитной анизотропии антиферромагнитного диэлектрика лежит в плоскости гетероструктуры. Антиферромагнитный диэлектрик представляет собой NiO или alpha-Fe2O3. В качестве подложки может быть использован пьезоэлектрический элемент, при этом гетероструктура образована на его стороне, обращенной к слою антиферромагнитного диэлектрика.An antiferromagnetic dielectric is selected from among substances with magnetoelastic properties, while the heterostructure contains a means for guiding and regulating magnetic anisotropy fields in an antiferromagnetic dielectric, made in the form of a piezoelectric element with two electrodes for connection to an independent voltage source, with the first electrode located on the outer surface piezoelectric element, and the other electrode is the mentioned platinum layer, while the hard axis of the magnetic anisotropy of the antiferromagnetic dielectric lies in the plane of the heterostructure. The antiferromagnetic dielectric is NiO or alpha-Fe 2 O 3 . A piezoelectric element can be used as a substrate, and the heterostructure is formed on its side facing the antiferromagnetic dielectric layer.
Технический результат - расширение функциональных возможностей регулирования параметров осциллятора посредством двух независимых управляющих величин: электрического тока и упругой деформации посредством пьезоэлемента, управляемого электрическим потенциалом.The technical result is to expand the functionality of regulating the parameters of the oscillator by means of two independent control values: electric current and elastic deformation by means of a piezoelectric element controlled by an electric potential.
Существо изобретения представлено на чертежах, где:The essence of the invention is shown in the drawings, where:
Фиг. 1 - структура осциллятора.FIG. 1 - the structure of the oscillator.
Фиг. 2 - структура осциллятора на пьезоэлектрической подложке.FIG. 2 - structure of an oscillator on a piezoelectric substrate.
Фиг. 3 - зависимость величины поля анизотропии в легкой плоскости и величины порогового тока от электрического поля в слое пьезоэлектрика.FIG. 3 - dependence of the value of the anisotropy field in the easy plane and the value of the threshold current on the electric field in the piezoelectric layer.
Фиг. 4 - зависимость частоты антиферромагнитного резонанса в докритическом режиме колебаний и частоты автоколебаний в сверхкритическом режиме колебаний от плотности электрического тока в слое платины, вычисленная при двух разных значениях электрического поля в слое пьезоэлектрика.FIG. 4 - the dependence of the frequency of antiferromagnetic resonance in the subcritical mode of oscillation and the frequency of self-oscillations in the supercritical mode of oscillation on the electric current density in the platinum layer, calculated at two different values of the electric field in the piezoelectric layer.
Фиг. 5 - зависимость частоты антиферромагнитного резонанса в докритическом режиме колебаний от величины электрического поля в слое пьезоэлектрика, вычисленная при двух разных значениях плотности электрического тока в слое платины.FIG. 5 - the dependence of the frequency of antiferromagnetic resonance in the subcritical mode of oscillation on the magnitude of the electric field in the piezoelectric layer, calculated at two different values of the electric current density in the platinum layer.
Фиг. 6 - зависимость амплитуды выходного сигнала в сверхкритическом режиме колебаний от плотности электрического тока в слое платины, вычисленная при трех разных значениях электрического поля в слое пьезоэлектрика.FIG. 6 - dependence of the amplitude of the output signal in the supercritical oscillation mode on the electric current density in the platinum layer, calculated at three different values of the electric field in the piezoelectric layer.
На фиг. 1 представлена структура устройства, которое содержит многослойную гетероструктуру 1, содержащую размещенные на подложке 10 последовательно расположенные слой 20 платины, слой 30 антиферромагнетика, слой 40 пьезоэлектрика и электрод 50. Токоподводы 61, 62 соединяют слой 20 платины и электрод 50 с источником 60 постоянного напряжения. Слой 20 платины так же подключен к источнику постоянного тока 70.FIG. 1 shows the structure of a device that contains a
Слой 30 антиферромагнетика должен быть выполнен из антиферромагнитного диэлектрика с магнитоупругими свойствами, предпочтительно с трудной осью и слабой анизотропией в легкой плоскости, например, NiO, но подойдет также и MnO2 или alpha-Fe2O3. В качестве материала для слоя 40 пьезоэлектрика может быть использован пьезоэлектрический диэлектрик без магнитных свойств.The
На фиг. 2 представлена структура устройства, в котором слой 40 пьезоэлектрика выполняет функции подложки 10 для слоя 30 антиферромагнетика.FIG. 2 shows the structure of a device in which the
Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.The patented device can be implemented on the basis of known materials and technologies of nano- and microelectronics.
Подложка 10 может быть реализована из немагнитного диэлектрика, например: SiO2, MgO, Al2O3, SrTiO3, LaAlO3 или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Толщина подложки варьируется в диапазоне от 100 нм до 10 мм, в расчетах данная величина не участвует. Латеральные размеры неограниченны, но подложка 10 должна быть больше размеров слоя 20 платины и слоя 30 антиферромагнетика.
Слой 20 платины может быть реализован толщиной от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.The
Слой 30 антиферромагнетика может быть реализован из антиферромагнитного диэлектрика, предпочтительно с трудной осью анизотропии и слабой анизотропией в легкой плоскости, например, NiO, alpha-Fe2O3 и другие. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.The
Слой 40 пьезоэлектрика может быть реализован из пьезоэлектрического диэлектрика без магнитных свойств, например, кристаллического кварца, ниобата или танталата лития, цирконата-титаната свинца и других. Толщина слоя варьируется от 100 нм до 10 мм, но как минимум в 10 раз больше толщины слоя 20 платины и слоя 30 антиферромагнетика для минимизации их воздействия на упругие свойства слоя 40 пьезоэлектрика. Латеральные размеры не ограничены, но должны превышать размеры слоя 10 платины и слоя 20 антиферромагнетика.The
Электрод 50 может быть реализован из металла высокой проводимости, например, меди, или платины. Толщина электрода варьируется от 1 нм до 1 мкм, и должна быть много меньше толщины слоя 40 пьезоэлектрика для минимизации воздействия электрода на упругие свойства слоя 40 пьезоэлектрика. Латеральные размеры совпадают с размерами слоя 40 пьезоэлектрика.The
Токопроводы 61 и 62 могут быть реализованы из металла высокой проводимости, например, меди, или платины. Предпочтительно, чтобы материалы токопроводов 61, 62, слоя 20 платины и электрода 50 совпадали.The
Принцип функционирования осциллятора состоит в следующем. При пропускании постоянного тока от источника 70 тока через слой 20 платины поток электронов разделяется в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента спин-поляризованного тока вблизи контакта между слоем 20 платины и слоем 30 антиферромагнетика вызывает перенос спинового момента в слой 30 антиферромагнетика, где данный спиновый момент взаимодействует с магнитной подсистемой антиферромагнетика, вызывая колебания намагниченности.The operating principle of the oscillator is as follows. When direct current is passed from the
В зависимости от плотности электрического тока j в слое 20 платины реализуются разные типы колебаний намагниченности. При токах j меньше критических реализуются малые затухающие колебания намагниченности вблизи частоты антиферромагнитного резонанса (АФМР). При токах j больше критических - реализуются автоколебания намагниченности с частотой, пропорциональной величине плотности электрического тока j. Величина критического тока j определяется эффективностью передачи спинового момента через границу между слоем 20 платины и слоем 30 антиферромагнетика, а также величиной магнитной анизотропии в легкой плоскости в слое 30 антиферромагнетика.Depending on the electric current density j in the
Частоты данных колебаний и их зависимость от плотности электрического тока j показаны на фиг. 3. Магнитные колебания в слое 30 антиферромагнетика вызывают спиновый ток в слое 20 платины через механизм спиновой накачки, после чего спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток в силу обратного спинового эффекта Холла. Данный электрический ток вызывает электромагнитные колебания терагерцовой частоты.The frequencies of these oscillations and their dependence on the electric current density j are shown in FIG. 3. Magnetic vibrations in the
В то же время, при приложении к гетероструктуре управляющего электрического потенциала от источника 60, деформации, возникающие в слое 40 пьезоэлектрика, передаются в слой 30 антиферромагнетика. В антиферромагнетике данные деформации влияют на магнитную подсистему через магнитоупругое взаимодействие, индуцируя поля магнитной анизотропии. Изменение поля магнитной анизотропии, показанное на фиг. 3, приводит к изменению величины критического тока, частоты затухающих колебаний в докритическом режиме колебаний, как видно на фиг. 5, и изменению амплитуды выходного сигнала, как показано на фиг. 6.At the same time, when a control electric potential from a
Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры осциллятора для генератора ТГц излучения могут регулироваться как посредством пропускания электрического тока через слой 20 платины от источника 70 тока, так и управляющего электрического потенциала, прилагаемого к слою пьезоэлектрика 40 от источника 60 напряжения и, тем самым, расширяются функциональные возможности осциллятора.Thus, from the above data, it follows that the parameters of the oscillator for the THz radiation generator can be controlled both by passing an electric current through the
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118778A RU2742569C1 (en) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | Oscillator for terahertz generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118778A RU2742569C1 (en) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | Oscillator for terahertz generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2742569C1 true RU2742569C1 (en) | 2021-02-08 |
Family
ID=74554348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020118778A RU2742569C1 (en) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | Oscillator for terahertz generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742569C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781081C1 (en) * | 2022-01-25 | 2022-10-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Spintronic terahertz oscillation detector based on the antiferromagnetic material - heavy metal nanoheterostructure |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344528C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Solid electromagnetic radiation source |
| RU2464683C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Solid-state electromagnetic radiation source |
| CN109256656A (en) * | 2018-10-19 | 2019-01-22 | 山东大学 | Spin moment nanometer oscillator and terahertz signal generator based on the oscillator |
| CN109411993A (en) * | 2018-12-28 | 2019-03-01 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | A kind of THz wave generator based on exchange bias magnetic field |
| RU2684897C1 (en) * | 2018-07-04 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Broadband terahertz radiation detector (variants) |
-
2020
- 2020-05-29 RU RU2020118778A patent/RU2742569C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344528C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Solid electromagnetic radiation source |
| RU2464683C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Solid-state electromagnetic radiation source |
| RU2684897C1 (en) * | 2018-07-04 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Broadband terahertz radiation detector (variants) |
| CN109256656A (en) * | 2018-10-19 | 2019-01-22 | 山东大学 | Spin moment nanometer oscillator and terahertz signal generator based on the oscillator |
| CN109411993A (en) * | 2018-12-28 | 2019-03-01 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | A kind of THz wave generator based on exchange bias magnetic field |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Khymyn, R. et al. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like Oscillator Driven by Spin Current. Sci. Rep. 7, 43705; doi: 10.1038/srep43705 (2017). * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781081C1 (en) * | 2022-01-25 | 2022-10-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Spintronic terahertz oscillation detector based on the antiferromagnetic material - heavy metal nanoheterostructure |
| RU2793891C1 (en) * | 2022-04-18 | 2023-04-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые спинтронные технологии" (ООО "НСТ") | Spintron detector of microwave oscillations |
| RU2813170C1 (en) * | 2023-03-17 | 2024-02-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Терабрайт" | Method for tuning frequency of terahertz quantum cascade laser |
| RU2826144C1 (en) * | 2023-12-27 | 2024-09-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Generator of terahertz oscillations based on antiferromagnetic oscillators with direct current control |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dong et al. | A strong magnetoelectric voltage gain effect in magnetostrictive-piezoelectric composite | |
| US7256532B2 (en) | Method and apparatus for high voltage gain using a magnetostrictive-piezoelectric composite | |
| Wu et al. | High performance THz emitters based on ferromagnetic/nonmagnetic heterostructures | |
| US7859349B2 (en) | Fully integrated tuneable spin torque device for generating an oscillating signal and method for tuning such apparatus | |
| US9461586B2 (en) | Spintronic oscillator, and use thereof in radiofrequency devices | |
| US20140022837A1 (en) | Random bit generator with magnetic tunnel junction | |
| US20190148046A1 (en) | Magnetoresistance effect device and magnetoresistance effect module | |
| JP2009130216A (en) | Magnetic device and frequency detector | |
| Popov et al. | Voltage-controlled anisotropy and current-induced magnetization dynamics in antiferromagnetic-piezoelectric layered heterostructures | |
| JP7493249B2 (en) | Spin Hall oscillators and magnetic recording devices, computers | |
| WO2005109520A2 (en) | Electromechanical electron transfer devices | |
| JP5233201B2 (en) | Magnetic device and frequency detector | |
| Peng et al. | Voltage-impulse-induced nonvolatile control of inductance in tunable magnetoelectric inductors | |
| RU2742569C1 (en) | Oscillator for terahertz generator | |
| US9589726B2 (en) | Magnetically enhanced energy storage systems and methods | |
| US6348846B1 (en) | Filter circuit including system for tuning resonant structures to change resonant frequencies thereof | |
| JP2012165537A (en) | Magnetic circuit and actuator | |
| Xing et al. | Spin pump in the presence of a superconducting lead | |
| JP5125287B2 (en) | Magnetic device and frequency analyzer | |
| JPH11101861A (en) | Magneto-resistance effect type sensor | |
| JP4171979B2 (en) | Magneto-impedance element | |
| JP2020035832A (en) | Ac generation device | |
| US3544867A (en) | Acoustic transducer with hall effect feedback | |
| RU2781081C1 (en) | Spintronic terahertz oscillation detector based on the antiferromagnetic material - heavy metal nanoheterostructure | |
| Ustinov et al. | Electric switching in bistable ferrite-piezoelectric microwave resonator |