Een team van natuurkundigen heeft een elektrische detectiemethode ontdekt voor terahertz elektromagnetische golven, die uiterst moeilijk te detecteren zijn. De ontdekking kan helpen de detectieapparatuur op microchips te miniaturiseren en de gevoeligheid te verbeteren.

Terahertz is een eenheid van elektromagnetische golffrequentie:één gigahertz is gelijk aan 1 miljard hertz; 1 terahertz is gelijk aan 1, 000 gigahertz. Hoe hoger de frequentie, hoe sneller de overdracht van informatie. Telefoons, bijvoorbeeld, werken op een paar gigahertz.

de bevinding, vandaag gemeld in Natuur , is gebaseerd op een fenomeen van magnetische resonantie in anti-ferromagnetische materialen. dergelijke materialen, ook wel antiferromagneten genoemd, bieden unieke voordelen voor ultrasnelle en spin-gebaseerde nanoschaal apparaattoepassingen.

De onderzoekers, onder leiding van natuurkundige Jing Shi van de Universiteit van Californië, rivieroever, een spinstroom gegenereerd, een belangrijke fysieke grootheid in spintronica, in een antiferromagneet en konden het elektrisch detecteren. Om deze prestatie te volbrengen, ze gebruikten terahertz-straling om magnetische resonantie in chroom op te pompen om de detectie ervan te vergemakkelijken.

Bij ferromagneten, zoals een staafmagneet, elektronenspins wijzen in dezelfde richting, op of neer, dus het verstrekken van collectieve sterkte aan de materialen. Bij antiferromagneten, de atomaire rangschikking is zodanig dat de elektronenspins elkaar opheffen, met de helft van de spins in de tegenovergestelde richting van de andere helft, ofwel omhoog of omlaag.

Het elektron heeft een ingebouwd spin-impulsmoment, die de manier kan bepalen waarop een tol om een ​​verticale as draait. Wanneer de precessiefrequentie van elektronen overeenkomt met de frequentie van elektromagnetische golven die worden gegenereerd door een externe bron die op de elektronen inwerkt, magnetische resonantie treedt op en manifesteert zich in de vorm van een sterk verbeterd signaal dat gemakkelijker te detecteren is.

Om dergelijke magnetische resonantie te genereren, het team van natuurkundigen van UC Riverside en UC Santa Barbara werkte met 0,24 terahertz aan straling geproduceerd in de Terahertz-faciliteiten van het Institute for Terahertz Science and Technology op de campus van Santa Barbara. Dit kwam nauw overeen met de precessiefrequentie van elektronen in chromia. De magnetische resonantie die daarop volgde resulteerde in het opwekken van een spinstroom die de onderzoekers omzet in een gelijkspanning.

"We waren in staat om aan te tonen dat antiferromagnetische resonantie een elektrische spanning kan produceren, een spintronisch effect dat nog nooit eerder experimenteel is gedaan, " zei Shi, een professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde.

Shi, die leiding geeft aan het door het Department of Energy gefinancierde Energy Frontier Research Center Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, of SCHIJNT, bij UC Riverside, uitgelegd subterahertz en terahertz straling zijn een uitdaging om te detecteren. De huidige communicatietechnologie maakt gebruik van gigahertz-microgolven.

"Voor een hogere bandbreedte, echter, de trend is om naar terahertz-microgolven te gaan, " zei Shi. "Het genereren van terahertz-microgolven is niet moeilijk, maar hun ontdekking is. Ons werk heeft nu een nieuw pad opgeleverd voor terahertz-detectie op een chip."

Hoewel antiferromagneten statisch oninteressant zijn, ze zijn dynamisch interessant. Elektronenspinprecessie in antiferromagneten is veel sneller dan in ferromagneten, wat resulteert in frequenties die twee tot drie orden van grootte hoger zijn dan de frequenties van ferromagneten, waardoor een snellere informatieoverdracht mogelijk is.

"Spindynamiek in antiferromagneten vindt plaats op een veel kortere tijdschaal dan in ferromagneten, wat aantrekkelijke voordelen biedt voor mogelijke ultrasnelle apparaattoepassingen, ' zei Shi.

Antiferromagneten zijn alomtegenwoordig en overvloediger dan ferromagneten. Veel ferromagneten, zoals ijzer en kobalt, worden antiferromagnetisch wanneer ze worden geoxideerd. Veel antiferromagneten zijn goede isolatoren met een lage energiedissipatie. Shi's lab heeft expertise in het maken van ferromagnetische en antiferromagnetische isolatoren.

Shi's team ontwikkelde een dubbellaagse structuur bestaande uit chromia, een antiferromagnetische isolator, met een laag metaal erop om als detector te dienen om signalen van chromia te detecteren.

Shi legde uit dat elektronen in chromia lokaal blijven. Wat de interface doorkruist, is informatie die is gecodeerd in de voorafgaande spins van de elektronen.

"De interface is cruciaal, " zei hij. "Zo is spingevoeligheid."

De onderzoekers pakten spingevoeligheid aan door zich te concentreren op platina en tantaal als metaaldetectoren. Als het signaal van chromia afkomstig is van spin, platina en tantaal registreren het signaal met tegengestelde polariteit. Als het signaal wordt veroorzaakt door verwarming, echter, beide metalen registreren het signaal met identieke polariteit.

"Dit is de eerste succesvolle generatie en detectie van pure spinstromen in antiferromagnetische materialen, wat een hot topic is in spintronica, "Zei Shi. "Antferromagnetische spintronica is een belangrijk aandachtspunt van SHINES."