由亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）领导的一个国际研究小组开发了一种新方法，用于有效耦合波长更短的太赫兹波，即所谓的自旋波。正如专家们在《自然物理学》杂志上报道的那样，他们的实验与理论模型相结合，阐明了这一过程的基本机制，以前认为是不可能的。这些结果是开发用于数据处理的新型节能自旋技术的重要一步。

太赫兹光波（左起）在薄金属层样品中转换为自旋波（右起）。在重金属层（左）中，电流首先被太赫兹场激发。在超短的时间内，自旋霍尔效应导致在具有铁磁层的界面处积累具有一定方向的自旋（右）。然后，这种定向自旋电流在铁磁材料中触发相干的纳米波长自旋波。

“我们能够在由两层几纳米厚的金属膜组成的三明治状材料系统中使用太赫兹光有效地激发高能自旋波，中间夹有铁磁层，”HZDR辐射物理研究所的Sergey Kovalev博士说。电子具有有效的自旋，其行为类似于陀螺。

就像陀螺仪一样，外部扰动可以倾斜自旋的旋转轴：陀螺运动，称为进动，也随之而来。在铁磁材料中，电子自旋之间存在非常强的相互作用，因此，局部开始的进动以自旋波的形式在整个铁磁材料层中继续。

这很有趣，因为自旋波 - 像任何波一样 - 可以用作信息载体。当每个电子自旋都在运动时，在铁磁体中，它保持在原子晶格中的位置，因此不涉及电流。因此，与今天的计算机芯片不同，基于旋转的设备中没有由于电流而造成的热损失。

方便的是，高能自旋波的特征频率在太赫兹范围内。这正是用于数据传输和处理的新型超快技术的目标范围。因此，将光学太赫兹技术与基于自旋的设备相结合可以为IT技术提供全新的高效概念。

问题：不同类型波之间的通信

与光类似，也可以用称为光子的单个粒子来描述，自旋波的能量被量子化，自旋波的量子称为磁振子。磁振子和太赫兹光子具有相同的能量，因此应该很容易相互转换。但一路上有一个问题：两种波浪现象的速度完全不同。

太赫兹波以光速作为电磁辐射传播，而自旋波与相互作用自旋的存在有关。它们的传播速度比光慢数百倍。虽然太赫兹波的波长略小于一毫米，但另一方面，自旋波的波长仅在几纳米的范围内。因此，太赫兹波没有机会将其能量专门直接转移到更慢的自旋波上。

为了解决这个问题，研究人员设计了一种极薄的钽和铂金属层的组合，在中间插入了一层薄薄的铁磁性镍铁合金。这种材料组合经过精确调整，可将来自光世界的信号“转换”到自旋世界。

从轻盈到旋转，多步完成

他们在HZDR离子束物理和材料研究所开发和生产了他们的功能层材料。为此，它们逐渐将金属薄膜气相沉积到薄玻璃基板上。“在实验中，我们随后用强烈的太赫兹脉冲轰击样品，并用光学激光脉冲测量它们的快速时变磁化。我们发现磁化的特征振荡，即使在激发太赫兹脉冲不再与样品相互作用的时候也是如此，“Kovalev解释说。

“我们改变了许多因素，例如外部磁场和层的不同材料组成，直到我们可以自信地证明这些确实是我们正在寻找的自旋波，”队友Ruslan Salikhov博士说，他正在研究新的功能性磁性材料。

对于电磁波向自旋波的这种转变，该团队利用了一系列不同的量子效应。形象地说，这些效应确保了太赫兹波和自旋波相互理解。首先，太赫兹辐射加速重金属中的自由电子，从而形成微观电流。

这些电流通过所谓的自旋霍尔效应转换为自旋电流，即电子电流只有非常特定的自旋方向，因此可以在局部空间中传输产生的角动量。在重金属和铁磁体之间的界面处，该角动量随后对铁磁体中的自旋施加扭矩。该扭矩精确地传递导致自旋波形成的扰动。

通过比较不同的样本，科学家们现在已经能够证明太赫兹场本身不能直接产生自旋波。只有绕道而行才能成功。因此，他们能够证实关于皮秒时间尺度上自旋轨道扭矩效率的理论预测。

因此，新的采样系统充当太赫兹驱动的自旋波源，原则上可以很容易地集成到电路中。这项工作是朝着在新型电子元件中使用太赫兹技术迈出的重要一步。同时，所演示的方法为基于自旋的器件的非接触式表征开辟了新的可能性。

图1：Py层中的太赫兹SWR激励。

a，实验示意图。单周期太赫兹脉冲入射到Ta/Py/Pt样品上，激发Py层中的静止SWR模式。Py磁化的z轴动态分量通过法拉第旋转效应使用100 fs激光探针脉冲进行检测。b，具有对称（Ta/Py/Ta）和非对称（Ta/Py/Pt）界面的两个不同样品的磁化动力学比较。ZTS之后的自旋波激发对于不对称样品是明显的（更明显）。c，d， Ta/Py/Pt样品中相对于H垂直（黑色）和平行（红色）排列的Py磁化强度的磁化动力学比较太赫兹(c）和不同极性的外部磁场（d），其垂直于太赫兹磁场。在（b）和（c）中延迟时间超过11 ps时观察到的进动振荡偏差是由SiO的背反射太赫兹辐射引起的2基板，当我们使用铝时会消失2O3折射率较大的基板，折射率在D中。a.u.，任意单位。

图2：几何结构相关的SOT驱动的磁化动力学。

a， 半周期太赫兹场E太赫兹在Pt和Ta层中产生电流j。自旋霍尔效应将电荷电流转换为相应的自旋电流，导致 Py 界面处的自旋累积。由于Ta和Pt具有相反符号的自旋霍尔角，因此累积自旋的极化在两个界面上是相同的（蓝色箭头）。当样品围绕x轴翻转（保持M的方向恒定）时，自旋累积改变符号（红色箭头）。这导致与类似场的SOT有效场H方向相反佛罗里达州在这两种几何形状中，因此，M上的扭矩相反。z轴投影的动态磁化分量在界面处具有反相时间演变（由于它们的转矩相反，用绿色箭头标记），这可以通过比较两种配置的SWR信号来检测。b，上述配置的Ta/Py/Pt样品中磁化动力学的实验比较。SWR信号的反相位行为很明显。插图显示了黑色和红色曲线的差异信号。

图3：不同厚度的Py样品中的太赫兹SWR模式。

a，Py厚度在6 nm和12 nm之间的Ta/Py/Pt样品中的差时间延迟扫描。所呈现的信号是两个法拉第信号之间差值的结果，如图2b所示。红线是使用衰减余弦函数拟合数据点。12 nm 厚的 Py 样品表现出三种模式n= 2、3、4。b，n= 2模式的共振频率与Py厚度（黑色圆圈）的函数关系。蓝色圆圈表示在 12 nm 厚的 Py（插图）中检测到的等效厚度 n = 3 和n= 4 模式的频率。等效厚度计算为相应的厚度n = 3和n = 4模式重新计算为n= 2模式。红线适合所有数据点，代表通用 1/d派2在不同厚度的Py薄膜中n = 2种模式的行为，以及在12nm厚的Py中不同模式的行为。使用衰减余弦函数从差分延时扫描分析中的拟合误差中提取垂直误差线。如果未另行显示，则误差线小于符号大小。

图4：SWR激励的微磁建模。

a， 10mT b的示意图醉鬼在具有9 nm Py层的不对称Ta/Py/Pt（黑线，顶图）和对称Ta/Py/Ta（红线，底图）样品的两个界面处定位在2 nm深度处的场。对于非对称（对称）样品，位于两个Py界面处的SOT场彼此平行（反平行）。黑色箭头表示Z轴投影的磁化动态分量在 Py 厚度上。可以看到，两个界面处磁化的同相进动支持偶数n模式（n = 2，顶部图中的黑色虚线），而反相进动导致奇数n模式（n= 3，底部图中的黑色虚线）。所有模式都被取消固定，因为界面各向异性不再足够强，无法固定交换主导的自旋波。b，不对称Ta/Py/Pt（蓝线）和对称Ta/Py/Ta（红线）样品中磁化动力学的快速傅里叶变换谱。两个接口上具有不同SOT场幅度（10 mT和2 mT，黑色虚线）的非对称接口的频谱显示n= 2，3和4模式。在12nm厚的样品中检测到所有三种模式，其中金属层的厚度与探针光的穿透深度相当。