Ett team av fysiker har upptäckt en elektrisk detekteringsmetod för terahertz elektromagnetiska vågor, som är extremt svåra att upptäcka. Upptäckten kan hjälpa till att miniatyrisera detektionsutrustningen på mikrochips och förbättra känsligheten.

Terahertz är en enhet för elektromagnetisk vågfrekvens:En gigahertz motsvarar 1 miljard hertz; 1 terahertz är lika med 1, 000 gigahertz. Ju högre frekvens, desto snabbare överföring av information. Mobiltelefoner, till exempel, arbeta på några gigahertz.

Fyndet, rapporterade idag i Natur , är baserad på ett magnetisk resonansfenomen i antiferromagnetiska material. Sådana material, även kallade antiferromagneter, erbjuder unika fördelar för ultrasnabba och spinnbaserade enhetsapplikationer i nanoskala.

Forskarna, ledd av fysikern Jing Shi vid University of California, Riverside, genererade en snurrström, en viktig fysisk storhet inom spintronik, i en antiferromagnet och kunde detektera den elektriskt. För att uppnå denna bedrift, de använde terahertzstrålning för att pumpa upp magnetisk resonans i krom för att underlätta dess upptäckt.

I ferromagneter, såsom en stångmagnet, elektronsnurr pekar i samma riktning, upp eller ner, vilket ger kollektiv styrka till materialen. I antiferromagneter, atomarrangemanget är sådant att elektronsnurrarna tar ut varandra, med hälften av snurren pekar i motsatt riktning mot den andra halvan, antingen upp eller ner.

Elektronen har ett inbyggt spinnvinkelmomentum, som kan precessera hur en snurrtopp precesserar runt en vertikal axel. När precessionsfrekvensen för elektroner matchar frekvensen av elektromagnetiska vågor som genereras av en extern källa som verkar på elektronerna, magnetisk resonans uppstår och manifesteras i form av en kraftigt förstärkt signal som är lättare att upptäcka.

För att generera sådan magnetisk resonans, teamet av fysiker från UC Riverside och UC Santa Barbara arbetade med 0,24 terahertz strålning producerad vid Institute for Terahertz Science and Technologys Terahertz-anläggningar på Santa Barbara campus. Detta matchade nära precessionsfrekvensen för elektroner i krom. Den magnetiska resonansen som följde resulterade i genereringen av en spinnström som forskarna omvandlade till en likspänning.

"Vi kunde visa att antiferromagnetisk resonans kan producera en elektrisk spänning, en spintronisk effekt som aldrig tidigare gjorts experimentellt, sa Shi, professor vid institutionen för fysik och astronomi.

Shi, som leder Department of Energy-finansierade Energy Frontier Research Center Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, eller LYSER, på UC Riverside, förklarad subterahertz- och terahertzstrålning är en utmaning att upptäcka. Dagens kommunikationsteknik använder gigahertz-mikrovågor.

"För högre bandbredd, dock, trenden är att gå mot terahertz mikrovågor, " sa Shi.  "Genereringen av terahertz-mikrovågor är inte svårt, men deras upptäckt är. Vårt arbete har nu gett en ny väg för terahertz-detektering på ett chip."

Även om antiferromagneter är statiskt ointressanta, de är dynamiskt intressanta. Elektronspinnprecession i antiferromagneter är mycket snabbare än i ferromagneter, vilket resulterar i frekvenser som är två-tre storleksordningar högre än ferromagneternas frekvenser – vilket möjliggör snabbare informationsöverföring.

"Spindynamik i antiferromagneter sker på en mycket kortare tidsskala än i ferromagneter, som erbjuder attraktiva fördelar för potentiella ultrasnabba enhetsapplikationer, " sa Shi.

Antiferromagneter är allestädes närvarande och rikligare än ferromagneter. Många ferromagneter, som järn och kobolt, blir antiferromagnetisk när den oxideras. Många antiferromagneter är bra isolatorer med låg energiförlust. Shis labb har expertis inom tillverkning av ferromagnetiska och antiferromagnetiska isolatorer.

Shis team utvecklade en dubbelskiktsstruktur bestående av chromia, en antiferromagnetisk isolator, med ett metallskikt ovanpå för att fungera som detektor för att känna av signaler från krom.

Shi förklarade att elektroner i krom förblir lokala. Det som korsar gränssnittet är information kodad i elektronernas föregående snurr.

"Gränssnittet är avgörande, "Sa han. "Så är spinnkänslighet."

Forskarna tog upp spinnkänslighet genom att fokusera på platina och tantal som metalldetektorer. Om signalen från chromia har sitt ursprung i spinn, platina och tantal registrerar signalen med motsatt polaritet. Om signalen orsakas av uppvärmning, dock, båda metallerna registrerar signalen med identisk polaritet.

"Detta är den första framgångsrika generationen och detekteringen av rena spinnströmmar i antiferromagnetiska material, vilket är ett hett ämne inom spintronics, "Shi sade. "Antiferromagnetisk spintronik är ett stort fokus för SHINES."