新技術：物理學家採用自旋電流生成太赫茲波！

知識 02-03

近日，德國凱澤斯勞滕工業大學（TUK）的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法。他們利用了磁性金屬納米結構中的量子磁電流，也稱為「自旋電流」。這種低成本、節材的技術有望應用於工業領域。

背景

太赫茲波是指頻率範圍在 100GHz 到 10THz 之間，介於微波和紅外線之間的電磁波，它對於人眼來說不可見。因為能量較低，所以我們無需擔憂它會對人體產生影響。如今，太赫茲技術是受到世界各國廣泛重視的前沿科技領域之一。

（圖片來源：維基百科）

相對於其他類型的電磁波段，太赫茲技術的優勢在於以下幾點：第一，它和X光以及聲波一樣，可以穿透物體表面成像；第二，它的頻率很高，因此空間解析度也很高；第三，因為其脈衝很短（皮秒量級），所以具有很高的時間解析度。

太赫茲技術主要滿足了兩方面的需求：第一，更高帶寬的無線通信系統；第二，安全應用。就無線通信方面來說，大數據、物聯網、高清電視、社交媒體的蓬勃發展，都要求無線通信帶寬進一步提升，頻譜資源進一步拓展。然而，太赫茲波的通信數據率可高達100 Gbit/s，它所在的工作頻率也尚未得到充分利用。就安全應用的方面來說，不同的化學物質，可在不同的程度上，吸收不同頻率的太赫茲輻射，從而表現出獨特的頻率特徵，因此太赫茲輻射，已廣泛應用安檢，此外，它還可以區分墨水和白紙，這些都是X光無法完成的。

此外，太赫茲技術還可應用於通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、軍事、材料檢測等諸多領域。之前，筆者在幾篇文章中都介紹過太赫茲技術的創新研究成果。

然而，生成太赫茲波通常需要強大的輻射源，例如發射器。這通常會帶來高能耗和高成本。

創新

為了解決上述問題，近日德國凱澤斯勞滕工業大學（TUK）的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法。他們利用了磁性金屬納米結構中的量子磁電流，也稱為「自旋電流」。這種低成本、節材的技術有望應用於工業領域。

（圖片來源：TUK/Thomas Koziel）

這項研究發表於科學雜誌《科學報告》（Scientific Reports）。這項研究的主要成員 Evangelos Papaioannou 副教授的研究小組是TUK 物理系 Burkard Hillebrands 教授領導磁性研究小組的一部分。Papaioannou 團隊也是德國國家光學和材料科學研究中心（OPTIMAS）的一部分，它由萊茵蘭普法爾茨州資助。R. Beigang 教授和 G. Torosyan 博士也對這項研究作出了貢獻，他們都是太赫茲領域的專家。

技術

凱澤斯勞滕工業大學的研究人員開發出一種非常高效，同時更加低成本的方法，即使用自旋電流。它類似於普通電流，在其中電荷，即電子，在流動。Evangelos Papaioannou 表示：「自旋描述了准粒子（例如電子）的內稟角動量。它構成了所有磁現象的基礎。簡單說，電子圍繞著它的軸左旋或者右旋，如同一隻旋轉的陀螺。」

Papaioannou 研究團隊為了應用這項技術，開發出一種特別的納米結構。物理學家是如此描述這個結構的：「它由磁離子金屬雙層和非磁鉑組成。它們非常薄，只有幾個納米的厚度。」

為了生成太赫茲波，研究人員使用了一種飛秒激光器，它可以激發出極短的激光脈衝。結果，下面的情況發生了：「當激光脈衝照射到納米結構上時，它們激發了離子薄膜中的電子，創造出自旋電流。」這種電流流入鄰近的鉑層。這裡出現了一種特殊的物理現象：逆自旋霍爾效應。對於鉑來說，這種效應被發現已經有些時間了。它的出現與金屬的原子結構相關。「鉑的原子核使得電子向相反方向偏轉，即左手或者右手自旋，從而導致自旋電流變化為超高速的瞬態電荷流，然後變成太赫茲波的發射源。」