飞秒激光诱导瞬态自旋流及其调控的太赫兹光谱研究

One of the essential concepts in spin-based electronics (spintronics), is the generation and manipulation of spin current. Information processing requires the controlled transport of spin angular momentum, preferably at frequencies reaching the unexplored terahertz (THz) regime. Recently, our interests include the spin relaxation dynamics in semiconductors, the inverse Faraday effect in paramagnetic magneto-optical modulator, and THz spin wave excitation and coherent control in antiferromagnet. Based on previous research foundations, here we focus on the femtosecond laser-induced transient spin current is probed by a novel and contactless manner using the inverse spin Hall effect (ISHE), which converts the spin current into a detectable THz electromagnetic transient. Our proposal includes: (1) Assess the physical fundamentals of the transient spin current pulses and the resulting THz transients. (2) Specifically designed magnetic heterostructures is used to actively tailor the spin current transients, based on the giant magnetic resistance effect (GMR). (3) Realize an efficient broadband THz radiation based on spintronic emitters. Our expected results open the door to engineering high-speed spintronic devices and, potentially, the application in quantum information science and technology.

自旋电子学研究的核心内容是产生和调控自旋流。实现太赫兹（THz）频段的自旋流是目前凝聚态物理研究的一个热点问题。近年来，我们利用飞秒激光相继在半导体结构，顺磁性磁光晶体等材料体系中诱导和研究了电子自旋动力学过程；在反铁磁单晶中实现了THz自旋极化波的激发与相干控制。在此基础上，本项目主要围绕超快自旋流的光激发及其调控，开展基础和应用研究。系统评估THz时域发射光谱技术在研究瞬态自旋流中的优势，拟取得三方面成果：（1）通过THz发射光谱，研究飞秒激光在磁性材料中诱导的自旋流，提出并加深对飞秒激光脉冲产生自旋流物理机制的理解；（2）提出新的人工磁性多层膜结构设计方案，基于巨磁阻效应通过外加磁场调节样品的电导率，从而实现对瞬态自旋流传输特性的主动调控;（3）优化磁性异质结构，提高THz发射效率，发展一种全新的THz辐射源。项目预期研究成果有望在自旋电子学和量子信息科学技术中有潜在的应用。

自旋电子学研究的核心内容是产生和调控自旋流。实现太赫兹（THz）频段的自旋流是目前凝聚态物理研究的一个热点问题。近年来，申请人利用飞秒激光相继在半导体结构，顺磁性磁光晶体等材料体系中诱导和研究了电子自旋动力学过程；在反铁磁单晶中实现了THz自旋极化波的激发与相干控制。.本基金项目主要围绕超快自旋流的光激发及其调控这个中心内容进行，展开基础和应用研究。主要开展了以下三方面的研究工作：.（1）系统研究了稀土共掺杂的反铁磁性铁氧体中太赫兹自旋波的共振激发与相干控制。利用THz时域光谱，研究了TmFeO3中的自旋重取向和晶体场跃迁。实验中，对比温度、外磁场驱动的自旋重取向，系统研究了稀土离子在Fe离子的自旋重取向过程中所扮演的作用。通过稀土离子的选择与共掺杂，实现不同的自旋开关行为。实验结果为开发可以有效抵抗外界零散磁场干扰的超高速存储器奠定理论与实验基础。.（2）系统研究飞秒激光诱导的瞬态自旋流及其调控。利用THz发射光谱，实验观察到飞秒激光在铁磁性材料中产生具有THz带宽的自旋流。提出并优化人工磁性异质结构，在亚皮秒时间尺度上实现超快自旋流传播特性的全光操控。非接触式的THz发射光谱已经成为超快自旋流特性研究和自旋电子器件在光子学领域应用的重要研究平台。.（3）系统研究飞秒激光诱导的THz电导率的超快动力学。利用光抽运-THz脉冲探测技术，通过分析光诱导载流子电导率的时域衰减和频域波谱，研究了石墨烯等二维狄拉克材料中电子的激发、转移、能量的弛豫动力学过程。.本项目的研究成果有助于人们对自旋电子学材料和复杂的量子材料中，飞秒激光诱导的电子自旋和电荷载流子的超快动力学有了进一步的认识，也有助于未来实现超快自旋电子器件的设计和应用。