Неравновесные спиновые состояния и генерация терагерцового излучения в магнитных гетероструктурах

Abstract

Магнитные гетероструктуры с протекающим по ним спин-поляризованным током являются одними из основных объектов исследований в спинтронике и спин-фотонике [1], что cвязано с перспективами многочисленных применений в терагерцовой спинтронике [2], трехмерных наномагнитных устройствах [3], запоминающих устройствах и сенсорах [4]. В таких гетероструктурах ток, протекающий в магнитном переходе, спин-поляризуется, что может приводить к значительному неравновесному накоплению спина в ограниченном объеме ферромагнитного материала. Спин-релаксационные переходы электронов проводимости между спиновыми подзонами ферромагнетика стимулированы опосредованно через sd-обменное взаимодействие с электромагнитной волной. Такие спин-флип переходы электронов могут сопровождаться испусканием или поглощением фотонов [5, 6] с частотой, определяемой энергией эффективного обменного расщепления спиновых подзон. Для ряда переходов энергия расщепления спиновых подзон соответствует энергии фотонов терагерцового диапазона частот, что представляет интерес с точки зрения применений гетероструктур как основы компактных терагерцовых источников излучения, в том числе работающих при комнатной температуре. В докладе рассматривается зона проводимости ферромагнитного металла, обменно расщепленная на спиновые подзоны с некоторым энергетическим зазором [7, 8]. При этом зона проводимости считается неравновесной по спину из-за протекающих токов. Показано, что при инжекции спинов током из одного магнитного слоя (инжектора) в другой (рабочий слой) положение неравновесных квазиуровней Ферми (область частот излучения) определяется плотностью протекающего через магнитный контакт тока, углом рассогласования между направлением намагниченности инжектора и рабочего слоя, а также их равновесной спиновой поляризацией. Представлено уравнение динамики движения магнитного момента, усредненного по ансамблю неравновесных спин-инжектированных электронов в ферромагнитном переходе, с учетом обменного взаимодействия и взаимодействия с внешним электромагнитным полем, а также с термостатом. С использованием формализма матрицы плотности рассчитана скорость квантовых переходов электронов с противоположными направлениями спина, определяющих спиновую релаксацию при взаимодействии с термостатом. Обсуждаются модели терагерцовых источников излучения и влияние особенностей спин-флип переходов при релаксации магнитного момента на процессы испускания или поглощения фотонов с энергией, соответствующей энергии эффективного обменного расщепления спиновых подзон, а также возможности перестройки частоты спин-инжекционного излучения в терагерцовом диапазоне частот.