Предложен эффективный способ управления параметрами терагерцевого излучения
Это позволит создать принципиально новые коммуникационные технологии
Ученые предложили новый способ управления поляризацией терагерцевого излучения. Он проще по сравнению с аналогами, так как требует относительно слабых магнитных полей и нормальных температурных условий. Управление терагерцевым излучением поможет развить новые высокоскоростные коммуникационные технологии: увеличить скорость передачи информации для 6G Wi-Fi и развить сети когнитивного радио, способные настраивать собственные параметры. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Фото: Александр Сигов/МИРЭА
Фото: Александр Сигов/МИРЭА
Терагерцевое излучение — область электромагнитного излучения между инфракрасным и микроволновым диапазонами (длины волн от 0,03 до 1 мм). Это излучение уже используют для разработки связи нового поколения, для определения химического состава вещества и неповреждающей медицинской диагностики. Передача такого сигнала происходит обычно в линейно-поляризованном виде, когда электрическое поле волны колеблется только вдоль одной линии в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Эффективное управление направлением поляризации необходимо для развития новых систем сверхбыстрой и сверхточной связи.
«Управление поляризацией терагерцевого излучения открывает новые функциональные возможности систем поляризационной микроскопии субмиллиметрового диапазона. Одной из перспективных областей применения разработки является беспроводная связь. По сравнению с микроволновым диапазоном использование такого излучения позволяет на порядок увеличить скорость передачи информации, в частности для 6G Wi-Fi. Для этих систем возможность управления поляризацией позволяет создавать как новые функциональные базовые элементы, так и новые коммуникационные технологии. Они включают энергоэффективную связь, сети когнитивного радио, которые могут настраиваться самостоятельно, и внутриполосный полнодуплексный режим, который позволит увеличить пропускную способность в два раза»,— рассказывает Александр Сигов, академик РАН, доктор физико-математических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, заведующий кафедрой наноэлектроники и президент МИРЭА — Российского технологического университета.
Есть несколько способовуправлять направлением поляризации, но все известные технологически сложны, а приборы на основе этих методов дороги и трудны в настройке. Ученые из РТУ МИРЭА, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) совместно с физиками из Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (Лилль, Франция) обнаружили и изучили более простой и эффективный способ управления поляризацией. Он основан на эффектах спинового тока в гетероструктурах TbCo2 / FeCo.
Схема гетероструктуры TbCo2 / FeCo, использованной для генерации терагерцового излучения
Фото: Khusyainov et al. / Scientific Reports, 2021
Схема гетероструктуры TbCo2 / FeCo, использованной для генерации терагерцового излучения
Фото: Khusyainov et al. / Scientific Reports, 2021
«Особенность гетероструктуры, используемой в наших экспериментах, заключается в возможности создавать в ней спин-переориентационный переход при изменении величины намагничивающего поля,— поясняет Александр Сигов.— Для разработки этого принципа управления поляризацией использован более чем 20-летний опыт исследования явлений спин-переориентационного перехода и связанных эффектов в специально синтезируемых гетероструктурах при тесном сотрудничестве с французской научной группой профессора Перно и доктора Тиерселян из ИЭМН».
Чтобы получить гетероструктуры, тонкие слои из железа и кобальта (FeCo), тербия и кобальта (TbCo2) и рутения (Ru) нанесли на стеклянную подложку. Это сделали с помощью катодного распыления, когда напыляемые частицы выбиваются из мишени ионами газа в электрическом поле. Полученный наноматериал, помещенный в относительно слабое магнитное поле, облучали импульсами инфракрасного лазера с одной стороны и детектировали терагерцевое излучение и его поляризацию с другой. Для управления поляризацией оказалось достаточно только изменения величины напряженности магнитного поля, прикладываемого к излучателю.
Авторы объясняют этот эффект объединением спинтронного принципа генерации и эффекта управляемой спиновой переориентации. Спинтронный принцип генерации заключается в том, что короткий оптический импульс возбуждает импульсный спиновый ток от облучаемой поверхности вглубь структуры, то есть происходит перенос намагниченности без переноса заряда. Внутриатомные электрические поля отклоняют спиновый ток, генерируя связанный с ним электрический ток, протекающий в плоскости структуры перпендикулярно направлению спиновой поляризации. В результате импульсный электронный ток излучает электромагнитную терагерцевую волну, которая также оказывается поляризованной перпендикулярно намагниченности структуры.
Управляемая спиновая переориентация обусловлена тем, что изменение величины намагничивающего внешнего поля в области спин-переориентационного перехода приводит к повороту магнитного момента в плоскости структуры от 0°до 180°. Из-за этого изменяется поляризация излучения. Ученые отмечают, что управление поляризацией осуществляется относительно слабыми магнитными полями и при нормальной температуре. Предложенный метод управления гораздо проще и эффективнее существующих аналогов, что позволит использовать разработку для управления терагерцевым излучением уже в ближайшем будущем.
«Сейчас в наших исследованиях внимание сосредоточено в основномна фундаментальных аспектах проблемы, касающихся механизмов взаимодействия спиновой системы с фемтосекундным лазерным излучением. Мы ищем способы повышения эффективности спинтронной эмиссии электромагнитного излучения и снижения энергоемкости систем управления поляризацией излучения,— комментируют доктора физико-математических наук, профессора Владимир Преображенский и Елена Мишина.— Мы считаем, что наиболее перспективный вариант для решения наших задач — это мультиферроидные гетероструктуры на основе тех, что использованы в данной работе, так как они сочетают спиновое упорядочение и спонтанную электрическую поляризацию. Накопленный совместно с французскими коллегами опыт работы с такими материалами позволит использовать их и для других приложений, в частности для систем магнитоэлектрической памяти с ультранизким энергопотреблением».
«Polarization Control of THz Emission Using Spin-reorientation Transition in Spintronic Heterostructure»; Dinar Khusyainov,Sergei Ovcharenko,Mikhail Gaponov,Arseniy Buryakov,Alexey Klimov,Nicolas Tiercelin,Philippe Pernod,Vadim Nozdrin,Elena Mishina,Alexander Sigov, Vladimir Preobrazhensky; журнал Scientific Reports, январь 2021 г.