RU2781081C1 - Спинтронный детектор терагерцовых колебаний на основе наногетероструктуры антиферромагнетик - тяжелый металл - Google Patents
Спинтронный детектор терагерцовых колебаний на основе наногетероструктуры антиферромагнетик - тяжелый металл Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781081C1 RU2781081C1 RU2021128596A RU2021128596A RU2781081C1 RU 2781081 C1 RU2781081 C1 RU 2781081C1 RU 2021128596 A RU2021128596 A RU 2021128596A RU 2021128596 A RU2021128596 A RU 2021128596A RU 2781081 C1 RU2781081 C1 RU 2781081C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- antiferromagnetic material
- detector
- magnetic metal
- current
- Prior art date
Links
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 title description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000005290 antiferromagnetic Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 5
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 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
- 201000004073 acute interstitial pneumonia Diseases 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux 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
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается детектора терагерцовых колебаний. Детектор содержит прозрачную для излучения подложку, одна поверхность которой открыта для приема излучения, а на другой размещена гетероструктура на основе последовательно расположенных слоя антиферромагнитного материала, первого слоя немагнитного металла, а также приемные электроды. Дополнительно введен второй слой немагнитного металла, размещенный между подложкой и слоем антиферромагнитного материала. Антиферромагнитный материал представляет собой одноосный проводящий металлический антиферромагнетик с легкой осью анизотропии и снабжен токоподводами для пропускания постоянного электрического тока в плоскости слоя для перестройки частоты детектора. Приемные электроды размещены на поверхности первого слоя немагнитного металла и ориентированы перпендикулярно направлению тока по слою антиферромагнитного материала. Технический результат заключается в обеспечении возможности перестройки частоты детектора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для детектирования колебаний в диапазоне частот 0,1-5 ТГц.
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.
Известен выпрямитель антиферромагнитного спинового тока, описанный в ст. Khymyn R. et. al. Antiferromagnetic spin current rectifier. AIP Adv. 7, 055931; doi: 10.1063/1.4977974 (2017), состоящий из двух слоев: антиферромагнитного материала и тяжелого металла. Протекающий через слой тяжелого металла входной переменный ток с помощью спинового эффекта Холла генерирует переменный спиновый ток в антиферромагнитном слое. Выпрямленный спиновый ток с помощью обратного спинового эффекта Холла индуцирует электрическое поле в направлении перпендикулярном слою тяжелого металла, что приводит к появлению электрического напряжения на противоположной стороне слоя тяжелого металла. Недостаток этого устройства заключается в невозможности перестройки частоты такого детектора.
Описан терагерцовый детектор (CN 209927303 U, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 10.01.2020), основанный на вращающем моменте антиферромагнитной спиновой орбиты. Он выполнен в виде гетероструктуры, содержащей слой антиферромагнитного материала и слой ферромагнитного материала, выращенной 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 генерирует постоянную интенсивность намагничивания через механизм фазовой синхронизации в слое антиферромагнитного материала, а обнаружение терагерцового сигнала реализуется путем измерения интенсивности намагничивания слоя антиферромагнитного материала. Недостаток этого устройства заключается в невозможности перестройки частоты такого детектора.
Наиболее близким в патентуемому устройству является детектор терагерцового диапазона (CN 110044476 А, SHANGHAI INST TECH PHYSICS CAS, 23.07.2019) на основе гетероструктуры, содержащей слой антиферромагнитного материала, слой немагнитного металла и электродный слой, выращенной на подложке. 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. С помощью электродов, расположенных на слое немагнитного металла, можно детектировать напряжение. Недостаток этого устройства состоит в том, что для возникновения колебаний в антиферромагнитном слое необходим источник терагерцового излучения. Кроме того, частоту такого детектора нельзя перестраивать.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания детектора терагерцового излучения, частоту которого можно перестраивать посредством управления постоянным электрическим током.
Детектор терагерцовых колебаний содержит прозрачную для терагерцового излучения подложку, одна поверхность которой открыта для приема переменного терагерцового излучения, а на другой - размещена гетероструктура на основе последовательно расположенных слоя антиферромагнитного материала, первого слоя немагнитного металла, а также приемные электроды.
Дополнительно введен второй слой немагнитного металла, размещенный между подложкой и слоем антиферромагнитного материала, причем антиферромагнитный материал представляет собой одноосный проводящий металлический антиферромагнетик с легкой осью анизотропии, и снабжен токоподводами для пропускания постоянного электрического тока в плоскости слоя для перестройки частоты детектора, а приемные электроды размещены на поверхности первого слоя немагнитного металла и ориентированы перпендикулярно направлению тока по слою антиферромагнитного материала.
Антиферромагнитный материал может быть выполнен из IrMn, а немагнитный металл представляет собой платину.
Технический результат - расширение функциональных возможностей регулирования параметров детектора посредством перестройки частоты постоянным током.
Существо изобретения представлено на чертежах,
где: Фиг. 1 - структура детектора.
Фиг. 2 - зависимость выпрямленного постоянного напряжения от частоты входного воздействия.
Фиг. 3 - зависимость частоты осцилляции от плотности входного постоянного тока.
Фиг. 4 - зависимость чувствительности детектора от плотности входного постоянного тока.
На фиг. 1 представлена структура устройства детектирования терагерцовых колебаний, которое содержит многослойную гетероструктуру, содержащую размещенные на подложке 2 последовательно расположенные первый слой платины 3, слой антиферромагнетика 4, второй слой платины 5 и электроды 6 и 7. Токопровод 9 соединяет второй слой платины 5 и электроды 6 и 7 с вольтметром 8. Первый слой платины 3 подключен к источнику постоянного тока 1 с помощью токопровода 10.
Слой антиферромагнетика 4 должен быть выполнен из одноосного проводящего металлического антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, IrMn.
Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.
Подложка 2 может быть выполнена из немагнитного диэлектрика, например: SiO2, MgO, Al2O3, SrTiO3, LiNbO3 или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Латеральные размеры неограниченны, но подложка 2 должна быть больше размеров первого слоя платины 3 и слоя антиферромагнетика 4.
Первый слой платины 3 и второй слой платины 5 могут иметь толщину от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцовой частоты порядка 100 мкм.
Слой антиферромагнетика 4 может быть выполнен из одноосного проводящего металлического антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, IrMn. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны терагерцевой частоты порядка 100 мкм.
Электроды 6 и 7 могут быть выполнены из металла высокой проводимости, например, золота. Толщина электродов варьируется от 1 нм до 1 мкм.
Токопроводы 9 и 10 могут быть выполнены из металла высокой проводимости, например, меди или платины. Предпочтительно, чтобы токопроводы 9, 10 были выполнены из платины.
Принцип функционирования детектора состоит в следующем.
При пропускании переменного терагерцового сигнала 11 со стороны подложки 2 через первый слой платины 3 поток электронов разделяется в пространстве по спину в силу спинового эффекта Холла. Компонента спин-поляризованного тока вблизи контакта между первым слоем платины 3 и слоем антиферромагнетика 4 вызывает перенос спинового момента в слой антиферромагнетика 4, где данный спиновый момент взаимодействует с магнитной подсистемой антиферромагнетика, вызывая колебания намагниченности. Колебания намагниченности вызывают переменный спиновый ток во втором слое платины 5 в силу спиновой накачки. Спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток во втором слое платины 5 в силу обратного спинового эффекта Холла. С помощью вольтметра 8 можно детектировать полученное постоянное напряжение со второго слоя платины 5.
Изменение частоты входного тока приводит к резонансной зависимости выходного постоянного напряжения, данная зависимость представлена на фиг. 2. Увеличение плотности входного постоянного тока приводит к изменению частоты резонансных колебаний в режиме выпрямления, как видно на фиг. 3, и изменению чувствительности детектора, как показано на фиг. 4.
Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры детектора терагерцовых колебаний могут регулироваться посредством пропускания электрического тока через первый слой платины 3 от источника тока 1, и, тем самым, расширяются функциональные возможности детектора. Кроме того, возбуждение колебаний намагниченности в слое антиферромагнитного материала происходит за счет пропускания переменного терагерцового сигнала 11 по первому слою платины 3.
Claims (5)
1. Детектор терагерцовых колебаний, содержащий прозрачную для терагерцового излучения подложку, одна поверхность которой открыта для приема излучения, а на другой - размещена гетероструктура на основе последовательно расположенных слоя антиферромагнитного материала, первого слоя немагнитного металла, а также приемные электроды,
отличающийся тем, что
дополнительно введен второй слой немагнитного металла, размещенный между подложкой и слоем антиферромагнитного материала, причем антиферромагнитный материал представляет собой одноосный проводящий металлический антиферромагнетик с легкой осью анизотропии и снабжен токоподводами для пропускания постоянного электрического тока в плоскости слоя для перестройки частоты детектора, а приемные электроды размещены на поверхности первого слоя немагнитного металла и ориентированы перпендикулярно направлению тока по слою антиферромагнитного материала.
2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что антиферромагнитный материал выполнен из IrMn.
3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что немагнитный металл представляет собой платину.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781081C1 true RU2781081C1 (ru) | 2022-10-05 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110044476A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于反铁磁非磁金属异质结的太赫兹探测器 |
| RU2742569C1 (ru) * | 2020-05-29 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Осциллятор для генератора терагерцового излучения |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110044476A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于反铁磁非磁金属异质结的太赫兹探测器 |
| RU2742569C1 (ru) * | 2020-05-29 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Осциллятор для генератора терагерцового излучения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| P. Yu. Artemchuk и др. "Antiferromagnetic Tunnel Junction as a Detector of Terahertz Frequency Signals", PROCEEDINGS OF THE 2019 IEEE 9 TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NANOMATERIALS: APPLICATIONS AND PROPERTIES, 2019 г., стр. 02M30-1 - 02M30-4. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| McCreary et al. | Quasi-two-dimensional magnon identification in antiferromagnetic FeP S 3 via magneto-Raman spectroscopy | |
| Demokritov et al. | Micro-Brillouin light scattering spectroscopy of magnetic nanostructures | |
| Harder et al. | Analysis of the line shape of electrically detected ferromagnetic resonance | |
| Liu et al. | Spin wave excitation, detection, and utilization in the organic‐based magnet, V (TCNE) x (TCNE= Tetracyanoethylene) | |
| Fan et al. | Magnetic tunnel junction based microwave detector | |
| CN112881773A (zh) | 测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法 | |
| Cansever et al. | Investigating spin-transfer torques induced by thermal gradients in magnetic tunnel junctions by using micro-cavity ferromagnetic resonance | |
| US8669762B2 (en) | Electromagnetic wave detection methods and apparatus | |
| RU2781081C1 (ru) | Спинтронный детектор терагерцовых колебаний на основе наногетероструктуры антиферромагнетик - тяжелый металл | |
| Scherbakov et al. | Spin-lattice relaxation in semimagnetic CdMnTe/CdMgTe quantum wells | |
| Skinner et al. | Enhanced inverse spin-Hall effect in ultrathin ferromagnetic/normal metal bilayers | |
| Chashin et al. | Magnetoelectric monolithic resonator based on the ferromagnetic-piezoelectric structure excited with a linear current | |
| US7986140B2 (en) | Systems and methods for RF magnetic-field vector detection based on spin rectification effects | |
| RU2778980C1 (ru) | Спинтронный детектор терагерцовых колебаний | |
| Kawaguchi et al. | Giant inverse Faraday effect in Dirac semimetals | |
| Belyaev et al. | Microstrip resonator for nonlinearity investigation of thin magnetic films and magnetic frequency doubler | |
| RU2793891C1 (ru) | Спинтронный детектор микроволновых колебаний | |
| Zare et al. | Magnetoelectric excitations in hexaferrites utilizing solenoid coil for sensing applications | |
| US3506913A (en) | Superconductive quantum interference device utilizing a superconductive inductive reactive element shunted by a single junction | |
| Panina et al. | Introduction to complex mediums for optics and electromagnetics | |
| Gillette et al. | Effects of intrinsic magnetostriction on tube-topology magnetoelectric sensors with high magnetic field sensitivity | |
| US3490034A (en) | Magnetometer utilizing the delaying effect of a magnetic transmission line | |
| Gómez et al. | High performance electronic device for the measurement of the inverse spin Hall effect | |
| Möller et al. | Frequency-domain magnetic resonance—alternative detection schemes for samples at the nanoscale | |
| RU2347296C1 (ru) | Магнитоуправляемый детектор свч излучения |