RU2778980C1 - Спинтронный детектор терагерцовых колебаний - Google Patents
Спинтронный детектор терагерцовых колебаний Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778980C1 RU2778980C1 RU2021132367A RU2021132367A RU2778980C1 RU 2778980 C1 RU2778980 C1 RU 2778980C1 RU 2021132367 A RU2021132367 A RU 2021132367A RU 2021132367 A RU2021132367 A RU 2021132367A RU 2778980 C1 RU2778980 C1 RU 2778980C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antiferromagnetic
- substrate
- heterostructure
- terahertz
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000005290 antiferromagnetic Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000005329 antiferromagnetic resonance Effects 0.000 description 3
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- 229910015475 FeF 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004279 Orbit Anatomy 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 101700063564 UNIV Proteins 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
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.
Description
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.
Claims (7)
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.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2778980C1 true RU2778980C1 (ru) | 2022-08-29 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103308181A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-09-18 | 北京理工大学 | 一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件 |
| RU186169U1 (ru) * | 2018-06-22 | 2019-01-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" | Детектор терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок |
| RU2701187C1 (ru) * | 2019-03-14 | 2019-09-25 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "НИКА-СВЧ" | Приёмник терагерцевого излучения на основе плёнки VOx |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103308181A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-09-18 | 北京理工大学 | 一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件 |
| RU186169U1 (ru) * | 2018-06-22 | 2019-01-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" | Детектор терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок |
| RU2701187C1 (ru) * | 2019-03-14 | 2019-09-25 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "НИКА-СВЧ" | Приёмник терагерцевого излучения на основе плёнки VOx |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Acoustic control of magnetism toward energy-efficient applications | |
| Demokritov et al. | Micro-Brillouin light scattering spectroscopy of magnetic nanostructures | |
| Iguchi et al. | Nonreciprocal magnon propagation in a noncentrosymmetric ferromagnet LiFe 5 O 8 | |
| 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 | |
| Panina et al. | Mechanism of asymmetrical magnetoimpedance in amorphous wires | |
| Bai et al. | Control of the magnon–photon coupling | |
| Budoyo et al. | Electron spin resonance with up to 20 spin sensitivity measured using a superconducting flux qubit | |
| US8669762B2 (en) | Electromagnetic wave detection methods and apparatus | |
| Cansever et al. | Investigating spin-transfer torques induced by thermal gradients in magnetic tunnel junctions by using micro-cavity ferromagnetic resonance | |
| RU2778980C1 (ru) | Спинтронный детектор терагерцовых колебаний | |
| Lyfar et al. | Microwave absorption in a thin La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 film: Manifestation of colossal magnetoresistance | |
| US7986140B2 (en) | Systems and methods for RF magnetic-field vector detection based on spin rectification effects | |
| Nazarov et al. | Tunable ferromagnetic resonance peak in tunneling magnetoresistive sensor structures | |
| Belyaev et al. | Microstrip resonator for nonlinearity investigation of thin magnetic films and magnetic frequency doubler | |
| RU2793891C1 (ru) | Спинтронный детектор микроволновых колебаний | |
| Wosik et al. | Composite transducer for longitudinal strain modulation (for ESR and optical spectroscopy) | |
| RU2781081C1 (ru) | Спинтронный детектор терагерцовых колебаний на основе наногетероструктуры антиферромагнетик - тяжелый металл | |
| Gómez et al. | High performance electronic device for the measurement of the inverse spin Hall effect | |
| Yelon et al. | High-frequency behavior of magnetically soft wires | |
| US4833392A (en) | Apparatus and method for measuring electrostatic polarization | |
| Nogaret et al. | Ballistic Hall photovoltammetry of magnetic resonance in individual nanomagnets | |
| RU2118834C1 (ru) | Устройство для измерения слабых магнитных полей (варианты) | |
| Rouabhi et al. | Anisotropy and magnetization processes in Co-rich amorphous wires | |
| Braude | Microwave response and spin waves in superconducting ferromagnets |