太赫茲（THz）是一種頻率介于微波和紅外頻率之間的電磁波。然而，目前缺乏高效率、高集成度以及易調(diào)制的太赫茲輻射源。傳統(tǒng)太赫茲產(chǎn)生方式如光電導(dǎo)天線和電光晶體法，存在著太赫茲能量低、帶寬小、成本高和波長依賴等問題。

基于自旋電子學(xué)效應(yīng)的太赫茲產(chǎn)生方式由于具有激光波長依賴度低、超寬帶、高效率和高穩(wěn)定性等優(yōu)點，受到國內(nèi)外太赫茲研究人員的關(guān)注。增強電荷-自旋-軌道自由度之間的轉(zhuǎn)化效率，對于提升自旋電子-太赫茲輻射強度至關(guān)重要。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心功能材料與器件研究部基于此前在自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域的積累，與中山大學(xué)物理學(xué)院合作，在多層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入稀土金屬插層，發(fā)現(xiàn)了與稀土種類相關(guān)的自旋-軌道流轉(zhuǎn)化機制。研究發(fā)現(xiàn)，在Pt/CoFeB(/Ti)異質(zhì)結(jié)中，太赫茲的產(chǎn)生主要依靠逆自旋霍爾效應(yīng)和逆軌道霍爾效應(yīng)實現(xiàn)自旋-電荷、自旋-軌道-電荷流的轉(zhuǎn)化，從而對外輻射太赫茲脈沖。研究顯示，將稀土金屬Nd、Gd和Ho插入到CoFeB和Ti層中間后，稀土的自旋軌道耦合影響了CoFeB-Ti一側(cè)的自旋-軌道流轉(zhuǎn)化過程。輕稀土Nd將負極化的自旋流轉(zhuǎn)化為負極化的軌道流，進而在Ti層中轉(zhuǎn)化為負極化的電荷流，導(dǎo)致含稀土Nd插層樣品的太赫茲峰對峰強度弱于對照樣品Pt/CFB/Ti的強度值。反之，重稀土Gd和Ho將負極化的自旋流轉(zhuǎn)化為正極化的軌道流，且在Ti層中轉(zhuǎn)化為正極化的電荷流，從而在含重稀土插層的樣品中可觀察到增強的太赫茲峰對峰強度。同時，對照樣品Pt/CoFeB/RE、Pt/CoFeB/Ti/RE的太赫茲測量結(jié)果可以排除稀土金屬自身的自旋-電荷流轉(zhuǎn)化的影響。進一步，快速傅里葉變換結(jié)果證明，稀土金屬Gd有助于提高太赫茲輻射的整體頻譜范圍和強度。

9月19日，相關(guān)研究成果以Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd, Gd, and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements為題，發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等的支持。