太赫茲（THz）是一種頻率介于微波和紅外頻率之間的電磁波，在生物醫療、材料和通信等諸多領域中有著重要的應用需求。目前，缺乏高效率、高集成度以及易調制的太赫茲輻射源。傳統太赫茲產生方式，如光電導天線和電光晶體法，普遍存在著太赫茲能量低、帶寬小、成本高和波長依賴等問題。

基于自旋電子學效應的太赫茲產生方式由于具有激光波長依賴度低、超寬帶、高效率和高穩定性等諸多優點，現已受到國內外太赫茲研究的密切關注。增強電荷-自旋-軌道自由度之間的轉化效率對于提升自旋電子-太赫茲輻射強度至關重要。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部基于過去多年在自旋電子學研究領域的工作積累，通過和中山大學物理學院合作，在多層膜異質結構中引入稀土（RE）金屬插層，發現了和稀土種類密切相關的自旋-軌道流轉化機制。結果發現，在Pt/CoFeB(/Ti)異質結中，太赫茲的產生主要依靠逆自旋霍爾效應和逆軌道霍爾效應實現自旋-電荷、自旋-軌道-電荷流的轉化，從而對外輻射太赫茲脈沖。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顯著地影響了CoFeB-Ti一側的自旋-軌道流轉化過程。具體如下：輕稀土Nd（4f電子殼層少于半滿）將負極化的自旋流（-J_S）轉化為負極化的軌道流（-J_L），隨后在Ti層中轉化為負極化的電荷流（-J_C），最終導致含稀土Nd插層樣品的太赫茲峰對峰強度（THz p-p）弱于對照樣品Pt/CFB/Ti的強度值。反之，重稀土Gd和Ho（4f電子殼層半滿及多于半滿）將負極化的自旋流（-J_S）轉化為正極化的軌道流（+J_L），隨后在Ti層中轉化為正極化的電荷流（+J_C），從而在含重稀土插層的樣品中觀察到了增強的太赫茲峰對峰強度。另一方面，對照樣品（Pt/CoFeB/RE和Pt/CoFeB/Ti/RE）的太赫茲測量結果可以排除稀土金屬自身的自旋-電荷流轉化的影響?？焖俑道锶~變換結果進一步證明，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。

相關研究成果以“Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd,Gd,and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements” 為題目于9月19日發表在Advanced Functional Materials期刊。

金屬所劉龍副研究員和中山大學物理學院蔣天然博士后為論文的共同第一作者，金屬所趙曉天項目研究員、中山大學物理學院賴天樹教授和金屬所劉偉研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用研究基金、中央高?；A科研業務基金和金屬所創新基金等項目的資助。

論文鏈接

圖1. (a)和(b)Pt/CoFeB結構中太赫茲輻射信號圖和原理示意圖，(c)和(d)Pt/CoFeB/Ti結構中太赫茲輻射信號和原理示意圖。

圖2. 不同結構樣品的太赫茲峰對峰（THz p-p）強度對比。

圖3. 稀土金屬Nd,Gd和Ho插層對自旋-軌道流轉化過程的影響機理圖。

圖4. Pt/CoFeB/RE/Ti結構的頻譜圖對比。