自旋电子学新突破：实现太赫兹电场的高效探测与界面研究

研究人员探索 FM|HM 堆栈用于太赫兹电场探测，发现 SREE 主导信号，实现宽带探测，助力自旋电子学发展。

　　在科技飞速发展的今天，太赫兹技术犹如一颗璀璨的新星，在众多领域展现出巨大的潜力。太赫兹电磁脉冲在通信、医疗、安检等领域都有着重要的应用前景。然而，如何高效地探测太赫兹电场，一直是科学界面临的难题。在自旋电子学中，由铁磁金属（FM）和重金属（HM）组成的 FM|HM 堆栈是研究自旋传输和自旋 - 电荷相互转换的模型系统。此前，虽然该堆栈在太赫兹光子学中作为自旋电子太赫兹发射器（STE）有一定应用，但在太赫兹电场探测方面，仅有太赫兹磁场对 FM 磁化的塞曼扭矩被利用，且其响应函数的低通特性在提高高频灵敏度时需要更长的信号平均时间。为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一系列研究。

研究人员致力于探索 FM|HM 堆栈作为探测器用于超宽带太赫兹电磁脉冲探测的潜力。他们通过测量太赫兹场诱导的瞬态光学双折射，发现信号中与 FM 磁化呈线性关系的分量在 1 至 13 太赫兹及更高频率下与入射太赫兹电场的形状吻合良好。这一发现表明，该堆栈可用于直接测量强宽带太赫兹电场。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验中，他们使用大面阵 STE 产生覆盖 0.1 至 10 THz 及更宽频段的太赫兹脉冲，探测脉冲（中心波长 800 nm）持续时间为 16 fs。通过磁光探测技术，利用磁性线性双折射（MLB）来监测 FM 层中的瞬态自旋积累。同时，使用基于铁磁 Fe (8 nm) 薄膜的塞曼扭矩探测器（ZTD）来精确测量入射太赫兹电场。

研究结果主要分为以下几个方面：

• 概念：通过理论分析，研究人员得出预期的光学双折射信号与太赫兹电场、FM 磁化等的关系。在 FM|HM 堆栈中，太赫兹电场诱导的自旋积累可通过 MLB 效应被探测，信号 S_MLB∝2M₀·Δs_FM，且该信号在 FM 磁化中为奇数，能反映 FM 层中自旋积累情况。
• 实验：实验中，研究人员对 CFB|Pt 等样品进行测量。通过设置合适的角度，如使太赫兹电场 E 与 FM 磁化 M₀垂直（E⊥M₀），并调整探测脉冲的极化角度，来优化信号测量。结果发现，实验信号与理论预期相符，且信号 S_-与太赫兹电场 E 呈线性关系。
• 信号对称性：研究人员通过改变探测脉冲极化角度发现，信号 S_-的幅度遵循 sin (2φ_pr) 依赖关系，表明其主要由 MLB 型探测机制主导。通过对比 CFB|Pt 和 Pt|CFB 堆栈的信号，发现信号主要源于太赫兹电场的电分量，而非磁分量。
• 动态响应：研究人员将测量的信号 S_-与入射太赫兹电场进行对比，发现两者在时域和频域都高度吻合，表明该探测器的响应函数在 1 至 13 THz 范围内平坦，响应时间不超过 5 fs。这意味着该探测器能直接提供入射太赫兹电场的时间依赖信息，通过校准可确定绝对场强。

研究结论和讨论部分指出，该研究成果具有多方面的重要意义。在应用方面，所展示的自旋电子太赫兹探测器（STD）具有理想的响应函数，可在 1 至 13 THz 及更宽频段内无失真地测量入射太赫兹电场，且灵敏度有望通过材料和界面工程进一步提高。在基础研究方面，该研究为区分自旋 Rashba-Edelstein 效应（SREE）和自旋霍尔效应（SHE）提供了时域策略，有助于更好地理解 FM|HM 堆栈中的自旋 - 电荷相互转换，优化相关应用。在方法学上，该研究为探测太赫兹范围内的界面共振提供了重要手段，可用于研究界面自旋动力学、电子电流和分子振动等。总之，这项研究在自旋电子学太赫兹探测领域取得了重要突破，为相关领域的发展开辟了新的道路，论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上，引起了广泛关注。