Твердотельный источник электромагнитного излучения

Заявляемое устройство для генерации когерентного и некогерентного поляризованного электромагнитного излучения относится к спинтронике и фотонике, а именно к инжекционным лазерам и некогерентным источникам поляризованного излучения для терагерцового диапазона частот. Источник электромагнитного излучения выполнен в виде многослойной структуры, содержащей первый слой из проводящего ферромагнитного материала, второй слой из проводящего ферромагнитного материала, расположенный под первым слоем, и третий слой из проводящего материала, расположенный под вторым слоем. Материал второго слоя отличается от материала первого и третьего слоев, спиновое сопротивление материала первого слоя, по меньшей мере, в 3 раза превышает спиновое сопротивление материала второго слоя, а спиновое сопротивление материала третьего слоя превышает спиновое сопротивление материала второго слоя. Технический результат - достижение наиболее эффективной инжекции спинов током через контакт твердых тел, а также впервые сформулированы соответствующие условия. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявляемое устройство для генерации когерентного и некогерентного поляризованного электромагнитного излучения относится к спинтронике и фотонике. В частности, изобретение относится к инжекционным лазерам и некогерентным источникам поляризованного излучения.

Миниатюрные твердотельные инжекционные лазеры и светодиоды появились в 1960-70-х годах [1, 2]. Они удобны тем, что накачка осуществляется током, который инжектирует носители тока в рабочий слой и создает в этом слое отрицательную температуру. В таких устройствах применяют полупроводниковые материалы: GaAs, GaP, GaPAs и другие. Инжекция происходит через границу раздела между различными материалами. Например, электроны, инжектированные в дырочный материал, рекомбинируют и излучают в оптическом или ИК диапазоне. Регулируя состав, можно менять частоту излучения. Устройства работают при комнатных температурах.

Развитие техники гетеролазеров привело к предложению устройств, в состав которых, кроме полупроводниковых слоев, включаются еще и ферромагнитные проводящие слои. Так, в устройстве, предложенном в [3], ферромагнитный металл введен для инжекции поляризованных по спину электронов в слой полупроводника. При этом уровень инжекции спинов предлагается увеличить за счет точечного легирования в полупроводнике. Механизм излучения остается таким же, как и в традиционных инжекционных лазерах - излучение возникает при электрон-дырочной рекомбинации. Таким образом, генерируются частоты оптического и ИК диапазона. Единственная особенность состоит в том, что вследствие поляризации спинов генерируемое излучение также получается поляризованным. Для генерации в терагерцовом диапазоне, то есть в диапазоне 10¹²-3·10¹³ Гц или при длинах волн 10-300 мкм, удобны ферромагнитные проводящие материалы, в которых обменное взаимодействие приводит к расщеплению энергий носителей тока, так что электроны с различными направлениями спинов заселяют разные уровни энергии, называемые спиновыми подзонами. Разность энергий между такими подзонами соответствует терагерцовому диапазону частот. Данный диапазон в настоящее время недостаточно исследован из-за отсутствия удобных миниатюрных источников излучения. Между тем, этот диапазон интересен для применений в биологии и медицине, для связи в космосе, для резки металлов в металлургии и, возможно, для других применений.

В работе [4] предложено устройство для генерации терагерцового излучения за счет переходов носителей тока между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Это устройство наиболее близко к заявляемому нами устройству. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одинакового по составу ферромагнитного проводящего материала, расположенные друг под другом. Эти слои используются для инжекции спинов током и создания при этом отрицательной температуры в рабочем слое, который располагается в центральной части структуры. Благодаря излучательным переходам носителей тока между спиновыми подзонами в рабочем слое возникает лазерная генерация или некогерентное излучение. Вероятность излучательных переходов оказывается на 3-4 порядка больше, чем в традиционных (неспиновых) инжекционных лазерах.

Недостаток описанного в работе [4] устройства состоит в том, что эффективность излучения мала. Дело в том, что ферромагнитные материалы во всех трех контактирующих слоях предполагаются одинаковыми. Считается, что и при одинаковых составах отрицательная температура будет достигнута, если только ток через структуру взят достаточно большим. В действительности, однако, при одинаковых составах слоев поток спинов через границу раздела первого и второго слоев не будет отличаться от потока спинов через границу раздела второго и третьего слоев. Иными словами, происходит просто транзит спинов через второй слой, который является рабочим, так что достаточного накопления спинов в рабочем слое не происходит. Следовательно, возможное изменение заселенности верхней по энергии спиновой подзоны в рабочем слое ограничено за счет ухода спинов в третий слой. В этих условиях достижение инверсной заселенности или отрицательной температуры, когда заселенность верхней спиновой подзоны превышает заселенность нижней подзоны, требует чрезмерно больших плотностей тока, при которых образец может не выдержать тепловых нагрузок. Поэтому желательно достигнуть отрицательной температуры при плотностях тока, которые не превосходят применяемых на практике значений, а именно ˜10⁷-10⁹ А/см². Без достижения отрицательной температуры при указанных реальных токах эффективность излучения будет слабой.

Техническая задача, решаемая предложенным изобретением, состоит в повышении эффективности генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот.

Для того, чтобы достигнуть решения этой задачи, в известном твердотельном источнике электромагнитного излучения, выполненном в виде многослойной структуры, содержащей первый слой из проводящего ферромагнитного материала, второй слой из проводящего ферромагнитного материала, расположенный под первым слоем, и третий слой проводящего материала, расположенный под вторым слоем, материал второго слоя отличается от материала первого и третьего слоев, при этом спиновое сопротивление материала первого слоя, по меньшей мере, в 3 раза превышает спиновое сопротивление материала второго слоя, а спиновое сопротивление третьего слоя превышает спиновое сопротивление материала второго слоя.

Желательно, чтобы степень поляризации спинов носителей тока в материале первого слоя составляла 80-100%, а степень поляризации спинов носителей тока в материале второго слоя составляла 10-30%.

Желательно также, чтобы первый слой имел фиксированную намагниченность, а второй слой имел нефиксированную намагниченность, направленную антипараллельно относительно намагниченности первого слоя.

Третий слой структуры может быть выполнен из полупроводника или из ферромагнитного проводящего материала. В последнем случае намагниченность слоя фиксирована и направлена антипараллельно относительно намагниченности первого слоя. Намагниченность считается фиксированной, если она не может быть изменена при любых внешних воздействиях на рассматриваемую структуру, а именно при наложении внешнего магнитного поля H или пропускании тока j. Фиксация намагниченности обеспечивается за счет достаточно сильной магнитной анизотропии слоя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена конструкция предложенного устройства (вид сбоку), на фиг.2 показано направление намагниченностей в различных слоях устройства.

Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения представляет собой многослойную структуру, содержащую первый слой 1 (фиг.1), второй слой 2 и третий слой 3, последовательно расположенные друг под другом вдоль оси Ох. Граница первого 1 и второго 2 слоев обозначена как S₁₂, граница второго 2 и третьего 3 слоев обозначена как S₂₃. На поверхности слоя 1 и слоя 3 расположены контактные площадки 4 для подключения источника напряжения. Слой 1 выполнен из ферромагнитного проводящего материала с 80-100% спиновой поляризацией носителей тока, так называемого половинного металла. К таким материалам относятся ферромагнетики типа сплавов Гейслера и манганитов [5, 6], например NiMnSb, PtMnSb, PdMnSb, PtMnSr и другие, а также некоторые окислы, такие как CrO₂, Fe₃O₄, Ln_1-xSr_xMnO₃, Ln_1-хСа_хMnO₃, Sr₂FeMoO₆ и другие [7]. Слой 2 выполнен из ферромагнитного проводящего материала с 10-30% спиновой поляризацией носителей тока. К таким материалам относятся ферромагнитные металлы типа Gd, Co, Py, Ni, Fe и др. [8]. Слой 3 может быть выполнен из полупроводника, такого как n-Si, n-GaAs, или из ферромагнитного проводящего материала, выбранного из приведенных выше групп материалов, используемых для слоя 1. Материал каждого слоя для конкретной конструкции выбирается таким образом, чтобы спиновое сопротивление Z₁ слоя 1 по меньшей мере в 3 раза превышало спиновое сопротивление слоя 2, а спиновое сопротивление Z₃ слоя 3 превышало спиновое сопротивление Z₂ слоя 2.

Величина спинового сопротивления Z_i рассчитывается по формуле

,

где ρ_i - удельное сопротивление слоя i, причем i=1, 2, 3, l_i - длина релаксации спинов в слое i и - степень спиновой поляризации носителей тока в слое i. Для половинного металла степень поляризации близка к 100%, то есть близко к 1, и в результате этого знаменатель формулы для Z_i становится малым, а само Z_i - большим. При поляризации порядка 10-30% величина . Понятие спинового сопротивления известно из литературы и часто употребляется [9, 10].

Приведем некоторые конкретные примеры реализации данного устройства.

Пример 1.

Слой 1 изготовлен из манганита Ln_1-xCa_xMnO₃ с параметром 0<х<1 и имеет большое спиновое сопротивление благодаря близости степени поляризации к 1. В частности, подбирая параметр х, можно изготовить пленки манганита с . Слой 2 изготовлен из ферромагнитного металла Gd, для которого типичное значение степени поляризации . Поскольку удельное сопротивление ρ и длина релаксации спинов l в указанных материалах суть величины одного порядка, то заведомо имеем Z₁≥3Z₂. Слой 3 выполнен из полупроводника Si, для которого величина спиновой поляризации и сопротивление Z_i определяется только удельным сопротивлением ρ₃ и длиной l₃, которые заведомо на порядки больше, чем соответствующие параметры в металлах. Тем самым ясно, что можно обеспечить выполнение условия Z₃>Z₂.

Пример 2.

Слои 1 и 2 изготовлены такими же, как и в Примере 1. Тем самым выполнение условия Z₁≥3Z₂ обеспечивается. Что касается слоя 3, то он может быть изготовлен из ряда половинных металлов, например, Ln_1-xSr_xMnO₃ или Ln_1-xBa_xMnO₃. Учитывая, что и варьируя параметр x, можно подобрать составы так, чтобы обеспечить Z₃>Z₂.

На фиг.2 слои 1, 2 и 3, составляющие структуру, показаны в плоскости (yz), перпендикулярной оси Ox (см. фиг.1). Намагниченность M₁ первого слоя 1 параллельна легкой оси "а-а" и является фиксированной, то есть направление вектора намагниченности М₁ не меняется при наложении внешнего магнитного поля. Намагниченность М₂ второго слоя 2 направлена антипараллельно относительно намагниченности М₁ и является нефиксированной, то есть направление вектора намагниченности М₂ можно изменить на некоторый угол ϕ путем наложения внешнего магнитного поля. Третий слой 3, в случае выполнения его из ферромагнитного материала, имеет намагниченность М₃, которая направлена антипараллельно относительно намагниченности М₁ и является фиксированной. В случае выполнения слоя 3 из полупроводника, являющегося немагнитным материалом, вектор намагниченности, естественно, равен нулю. Предложенное устройство может быть изготовлено известным способом магнетронного напыления пленок при наложении ориентирующего внешнего магнитного поля порядка нескольких сотен эрстед в плоскости слоев в процессе их роста.

Предложенное устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на контактные площадки 4 поляризованные носители тока проникают из слоя 1 в слой 2 через границу раздела S₁₂. Затем они покидают слой 2 через границу раздела S₂₃. В стационарных условиях потоки этих носителей на указанных границах должны быть одинаковыми. Для достижения такого стационарного состояния в слое 2 должна быть создана "аккумуляция" спинов, то есть необходимо увеличить плотность спинов одного направления, а именно совпадающего с направлением спинов в слое 1. Это обеспечивается благодаря выполнению превышения спинового сопротивления слоя 1 над спиновым сопротивлением слоя 2, а также превышения спинового сопротивления слоя 3 над спиновым сопротивлением слоя 2. С точки зрения получения наибольшей плотности спинов в слое 2, то есть получения высокой аккумуляции спинов в этом слое и максимальной эффективности работы устройства, желательно, чтобы превышение спинового сопротивления слоя 1 над спиновым сопротивлением слоя 2 было по возможности наибольшим, например более чем в 3 раза.

При выполнении условия Z₁≥3Z₂ поток спинов из слоя 1 в слой 2 является чисто конвективным. Это значит, что все поляризованные носители тока просто перемещаются в слой 2, то есть происходит максимальная возможная "инжекция" спинов из слоя 1 в слой 2. С другой стороны, при выполнении условия Z₃>Z₂ возникает достаточно большой градиент плотности спинов на границе между слоями 2 и 3. Необходимая в стационарном состоянии величина потока спинов поддерживается при этом не только благодаря конвективному переносу спинов, но также в значительной степени и благодаря току диффузии спинов при достаточно большом коэффициенте диффузии. Это и ведет к аккумуляции спинов в слое 2.

Описанная картина переноса спинов в многослойной структуре детально проанализирована теоретически в работах [11, 12]. Как оказалось, при направлении потока носителей от слоя 1 к слою 2 происходит увеличение населенности одной из двух энергетических подзон, на которые расщеплен спектр энергий носителей тока в ферромагнетике. Поскольку мы приняли антипараллельную взаимную ориентацию намагниченностей в соседних слоях 1 и 2, то поток носителей из слоя 1 увеличивает заселенность подзоны, энергия которой наибольшая. При увеличении плотности электрического тока до критического значения j_c˜10⁷-10⁸ А/см² населенность верхней спиновой подзоны становится больше населенности нижней подзоны, то есть возникает инверсия населенностей (или, что эквивалентно, "отрицательная температура") [13].

Хорошо известно, что именно инверсная заселенность необходима для возникновения стимулированного излучения и лазерного эффекта. Кроме того, инверсная заселенность способствует возрастанию уровня некогерентного электромагнитного излучения, то есть устройство может работать и как лазер, и как источник некогерентного излучения. Оценки, выполненные в работе [13], показывают, что в типичных случаях, когда в качестве материалов для слоя 2 применяются ферромагнитные металлы при комнатных температурах, частота лежит в диапазоне десятков терагерц.

Желательно, чтобы отрицательная температура сохранялась по всей толщине слоя 2. Для обеспечения этого средняя длина релаксации спинов l в слое 2 должна превосходить толщину L этого слоя, то есть параметр λ=L/l<1. Например, при комнатной температуре в ферромагнитных металлах типичны значения l≥20-30 нм. Поэтому слой 2 желательно изготовить с толщиной L≤20 нм.

Важен вопрос об устойчивости состояния многослойной структуры с отрицательной температурой относительно флуктуации направления намагниченности в слое 2, то есть флуктуации вектора M₂. Расчет показывает, что энергия многослойной структуры имеет локальный минимум при антипараллельной ориентации векторов намагниченности слоев 2 и 3 относительно вектора намагниченности слоя 1. Этот локальный минимум сохраняется при любой величине потока электронов. Любая флуктуация вектора М₂ приведет к возрастанию энергии и поэтому должна релаксировать, то есть флуктуация будет устойчивой.

В работе [4] было указано, что для увеличения силы взаимодействия носителей тока в слое 2 с электромагнитным излучением следует специально отклонить направление вектора М₂ от антипараллельного на некоторый угол ϕ (см. фиг.2). Такое отклонение можно осуществить с помощью внешнего магнитного поля Н, лежащего в плоскости пленки. Такое поле не повлияет на ориентацию намагниченности в слоях 1 и 3, поскольку либо в обоих этих слоях намагниченность фиксирована, либо слой 3 немагнитный и поэтому никакой намагниченностью не обладает.

Угол ϕ должен быть выбран оптимальным по величине: с одной стороны, он не должен нарушить устойчивость ориентации М₂ (для этого достаточно, чтобы |ϕ|<90°), а с другой стороны, он должен максимально увеличить взаимодействие с электромагнитным излучением. Согласно работе [4], с помощью угла ϕ величину указанного взаимодействия можно регулировать в пределах 3-4 порядков.

Таким образом, показано, что предложенное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает существенное увеличение эффективности излучения за счет выбора материала слоев структуры с различными величинами спиновых сопротивлений.

Литература

1. Физическая энциклопедия, т.I, статья "Гетеролазер", стр.445-446. М.: Советская Энциклопедия,1988.

2. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М., 1983.

3. Osipov V.V., Bratkovski A.M. Heterolaser and light emitting source of polarized radiation. United States Patent, 6993056, January 31, 2006.

4. Kadigrobov A., Ivanov Z. Claeson Т., Shekhter R.I., Jonson М. Giant lasing effect in magnetic nanoconductors, Europhys. Lett., v.67 (6), 946-954, 2004.

5. de Groot R.A. et al. New class of materials: half metallic ferromagnets, Phys. Rev. Lett., v.50, #25, 2024-2027, 1983.

6. Локтев В.М., Погорелов Ю.Г. Особенности физических свойств и колоссального магнитосопротивления манганитов. ФНТ, т.26, №3, 231-261, 2000.

7. Haghiri-Gosnet A.M. et al. Spintronics: perspectives for half metallic oxides, Phys. Stat. Solidi (a), v.201, #7, 1392-1397, 2004.

8. Meservey R., Tedrow R.M. Spin-polarized electron tunneling, Phys. Rep., v.238, 174, 1994.

9. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Э.М.Эпштейн. Инжекция спинов током на границе двух неколлинеарных ферромагнетиков. ДАН Техническая физика, т.410, 197-199, 2006.

10. Kimura Т., Otani Y., Hamrle. Switching Magnetization of Nanoscale Ferromagnetic Particle Using Nonlocal Spin Jnjection, Phys. Rev. Lett., v.96, 037201, 2006.

11. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Э.М Эпштейн. Инжекция спинов током и поверхностный крутильный момент в ферромагнитных металлических переходах. ЖЭТФ, т.127, 5, 1138-1152, 2005.

12. Epshtein E.M., Yu.V. Gulyaev, P.E. Zilberman, Phenomenological theory of current driven exchange switching in ferromagnetic nanojunctions, http://www.cond-mat/0606102.

13. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Э.М.Эпштейн. Создаваемая током инверсная заселенность спиновых подзон в магнитных переходах. Письма в ЖЭТФ, т.85, 192-196, 2007.

1. Твердотельный источник электромагнитного излучения, выполненный в виде многослойной структуры, содержащей первый слой из проводящего ферромагнитного материала, второй слой из проводящего ферромагнитного материала, расположенный под первым слоем, и третий слой из проводящего материала, расположенный под вторым слоем, отличающийся тем, что материал второго слоя отличается от материала первого и третьего слоев, при этом спиновое сопротивление материала первого слоя, по меньшей мере, в 3 раза превышает спиновое сопротивление материала второго слоя, а спиновое сопротивление материала третьего слоя превышает спиновое сопротивление материала второго слоя.

2. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что степень поляризации спинов носителей тока в материале первого слоя составляет 80-100%, а степень поляризации спинов носителей тока в материале второго слоя составляет 10-30%.

3. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что первый слой имеет фиксированную намагниченность, а второй слой имеет нефиксированную намагниченность, направленную антипараллельно относительно намагниченности первого слоя.

4. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что третий слой выполнен из полупроводника.

5. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что третий слой выполнен из ферромагнитного материала и имеет фиксированную намагниченность, направленную антипараллельно относительно намагниченности первого слоя.