基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器制造技术

本发明专利技术涉及基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器。一种太赫兹信号发生器可包括：自旋微波振荡器，包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号；以及倍频链，其包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡信号进行倍频，从而输出太赫兹信号。

【技术实现步骤摘要】
基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器
本专利技术总体上涉及一种基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器。
技术介绍
太赫兹，即太拉赫兹，一般指的是100GHz到10THz范围的频率，相应的波长为3毫米到30微米，在电磁波谱上介于毫米波与红外光之间，代表了从量子机制传输理论到经典机制传输理论的重要转变。太赫兹波的这一特殊位置决定了其丰富的科学内涵，兼具微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，使得其在许多领域都有重大的应用前景。太赫兹信号的产生方法一般可分为基于光学的太赫兹信号发生方法和基于电子学的太赫兹信号发生方法。基于光学的太赫兹信号发生方法包括使用自由电子激光器、电光晶体太赫兹脉冲源、瞬时光电导产生太赫兹电磁脉冲等。尤其是随着激光相关领域的进展，近年来已经出现了若干基于光学方法的太赫兹信号发生器件。相比而言，基于电子学的太赫兹信号发生方法目前仍比较匮乏。一种电子学方法是使用回波振荡器(BWO)(也称为行波管)，其能产生100GHz至1THz的辐射频率，输出功率大于10mW，调谐范围可达到中心频率的30％左右。然而，回波振荡器的操作需要高电压和高磁场，因而能耗非常大，并且回波振荡器的体积较大。因此，这些缺点限制了回波振荡器的实际使用。另一种电子学方法是采用倍频器。例如，采用成熟的微波技术将晶体振荡器的输出频率变换到微波的范围，然后通过级联的倍频器链将其倍频到太赫兹的范围。然而，这样的电路一般非常复杂。晶体振荡器本身的输出频率为数十到上百兆赫兹，一般在200MHz以下，需要复杂的频率合成技术将其变换到微波的范围。另一方面，由于倍频链中需要过多的倍频器级数以实现大的倍频系数和高的频率，将会在噪声和输出功率特性方面遇到困难。由于上述原因，难以得到高质量的太赫兹信号。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器，其能够克服基于常规电子学方法的太赫兹信号发生器中的上述问题以及其他问题中的一个或多个。根据本专利技术一示范性实施例，一种太赫兹信号发生器可包括：自旋微波振荡器，包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号；以及倍频链，其包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡信号进行倍频，从而输出太赫兹信号。在一些示例中，所述自旋微波振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。在一些示例中，当所述间隔层由磁性导电材料形成时，所述间隔层的厚度小于其自旋扩散长度。在一些示例中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成。在一些示例中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi2Se3、Bi2Te3。在一些示例中，所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括设置在所述自旋微波振荡器与所述倍频链之间的高通滤波器。在一些示例中，所述多个倍频器包括连接到所述自旋微波振荡器的至少一个高次倍频器，所述高次倍频器的倍频系数大于3。在一些示例中，所述多个倍频器还包括连接到所述至少一个高次倍频器的多个低次倍频器，所述低次倍频器的倍频系数为2或3。在一些示例中，所述多个低次倍频器的个数小于等于4。在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括插入在所述倍频链的多个倍频器中的至少一个锁相环。在一些示例中，所述至少一个锁相环插入在所述至少一个高次倍频器与所述多个低次倍频器之间。在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括至少一个功率放大器，其设置在所述锁相环与所述多个低次倍频器之间。附图说明图1示出根据本专利技术一实施例的自旋微波振荡器。图2示出图1的自旋微波振荡器的操作原理。图3所述图1的自旋微波振荡器的输出信号的示例。图4示出根据本专利技术一实施例的太赫兹信号发生器。图5示出根据本专利技术另一实施例的太赫兹信号发生器。具体实施方式下面将参照附图来描述本专利技术的示范性实施例。图1示出根据本专利技术一实施例的自旋微波振荡器100。图2示出自旋微波振荡器100的操作原理。如图1所示，自旋微波振荡器100的核心部件是多层膜结构110，其可包括自旋注入层112、间隔层114和磁进动层116。自旋注入层112由能产生自旋电流的材料产生。众所周知，电子具有自旋属性，例如可分为自旋向上的电子和自旋向下的电子。在普通电流中，自旋向上的电子和自旋向下的电子大约各占一半，因此普通电流是非极化的。当非自旋极化的电流经过自旋注入层112时，其将转变成自旋极化的电流，从而可以将自旋极化的电流注入到将在后面描述的磁进动层116中。这样的自旋注入层112可以由自旋霍尔效应(SHE)材料或反常霍尔效应(AHE)材料形成。自旋霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y、以及它们的组合之类的非磁金属材料；诸如IrMn、PtMn和AuMn之类的反铁磁材料；以及诸如Bi2Se3、Bi2Te3之类的拓扑绝缘体材料等。反常霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Fe、Co、Ni之类的铁磁金属，诸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之类的稀土材料，以及这些铁磁金属和稀土材料的任意组合等。在一些优选实施例中，自旋注入层112可由诸如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe之类的铁磁金属或合金形成。在自旋注入层112由磁材料形成的实施例中，优选地，自旋注入层112的磁矩被固定。在一些实施例中，自旋注入层112的磁矩可以采用自钉扎方式而被固定。例如，自旋注入层112本身可以采用具有较大矫顽力的硬磁材料形成。或者，自旋注入层112的磁矩可以采用钉扎结构而被固定。例如，可以在自旋注入层112的与间隔层114相反的一侧形成反铁磁钉扎层来固定自旋注入层112的磁矩。间隔层114可由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。当自旋注入层112由磁性材料形成时，间隔层114是必要的，其将自旋注入层112与磁进动层116彼此磁去耦。当自旋注入层112由非磁材料形成时，间隔层114是可选的。也就是说，可以在自旋注入层112和磁进动层116之间形成间隔层114，也可以在二者之间不形成任何层，使得自旋注入层112和磁进动层116彼此直接接触。当间隔层114由非磁导电材料形成时，自旋注入层112中的自旋极化电流可经过间隔层114到达磁进动层116。为了保持自旋极化电流的自旋极化属性，间隔层114的厚度应不超过其自旋扩散长度。可用于形成间隔层114的非磁导电材料的示例包括但不限于Cu、Ru、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等。在一些实施例中，间隔层114优选由自旋扩散长度较长的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。当间隔层114由非磁绝缘材料形成时，自旋注入层112中的自旋极化电流可隧穿经过间隔层114而到达磁进动层116。隧穿电流不会受到非弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹信号发生器，包括：自旋微波振荡器，包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号；以及倍频链，其包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡信号进行倍频，从而输出太赫兹信号。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹信号发生器，包括：自旋微波振荡器，包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号；以及倍频链，其包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡信号进行倍频，从而输出太赫兹信号。2.如权利要求1所述的太赫兹信号发生器，其中，所述自旋微波振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。3.如权利要求2所述的太赫兹信号发生器，其中，当所述间隔层由磁性导电材料形成时，所述间隔层的厚度小于其自旋扩散长度。4.如权利要求1所述的太赫兹信号发生器，其中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成，其中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和Au...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏红祥，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11