由亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)领导的一个国际研究小组开发了一种新方法，用于有效耦合波长更短的太赫兹波，即所谓的自旋波。正如专家们在《自然物理学》杂志上报道的那样，他们的实验与理论模型相结合，阐明了这一过程的基本机制，以前认为是不可能的。这些结果是开发用于数据处理的新型节能自旋技术的重要一步。

“我们能够在由两层几纳米厚的金属膜组成的三明治状材料系统中使用太赫兹光有效地激发高能自旋波，中间夹有铁磁层，”HZDR辐射物理研究所的Sergey Kovalev博士说。电子具有有效的自旋，其行为类似于陀螺。

就像陀螺仪一样，外部扰动可以倾斜自旋的旋转轴：陀螺运动，称为进动，也随之而来。在铁磁材料中，电子自旋之间存在非常强的相互作用，因此，局部开始的进动以自旋波的形式在整个铁磁材料层中继续。

这很有趣，因为自旋波 - 像任何波一样 - 可以用作信息载体。当每个电子自旋都在运动时，在铁磁体中，它保持在原子晶格中的位置，因此不涉及电流。因此，与今天的计算机芯片不同，基于旋转的设备中没有由于电流而造成的热损失。

方便的是，高能自旋波的特征频率在太赫兹范围内。这正是用于数据传输和处理的新型超快技术的目标范围。因此，将光学太赫兹技术与基于自旋的设备相结合可以为IT技术提供全新的高效概念。

问题：不同类型波之间的通信

与光类似，也可以用称为光子的单个粒子来描述，自旋波的能量被量子化，自旋波的量子称为磁振子。磁振子和太赫兹光子具有相同的能量，因此应该很容易相互转换。但一路上有一个问题：两种波浪现象的速度完全不同。

太赫兹波以光速作为电磁辐射传播，而自旋波与相互作用自旋的存在有关。它们的传播速度比光慢数百倍。虽然太赫兹波的波长略小于一毫米，但另一方面，自旋波的波长仅在几纳米的范围内。因此，太赫兹波没有机会将其能量专门直接转移到更慢的自旋波上。

为了解决这个问题，研究人员设计了一种极薄的钽和铂金属层的组合，在中间插入了一层薄薄的铁磁性镍铁合金。这种材料组合经过精确调整，可将来自光世界的信号“转换”到自旋世界。

从轻盈到旋转，多步完成

他们在HZDR离子束物理和材料研究所开发和生产了他们的功能层材料。为此，它们逐渐将金属薄膜气相沉积到薄玻璃基板上。“在实验中，我们随后用强烈的太赫兹脉冲轰击样品，并用光学激光脉冲测量它们的快速时变磁化。我们发现磁化的特征振荡，即使在激发太赫兹脉冲不再与样品相互作用的时候也是如此，“Kovalev解释说。

“我们改变了许多因素，例如外部磁场和层的不同材料组成，直到我们可以自信地证明这些确实是我们正在寻找的自旋波，”队友Ruslan Salikhov博士说，他正在研究新的功能性磁性材料。

对于电磁波向自旋波的这种转变，该团队利用了一系列不同的量子效应。形象地说，这些效应确保了太赫兹波和自旋波相互理解。首先，太赫兹辐射加速重金属中的自由电子，从而形成微观电流。

这些电流通过所谓的自旋霍尔效应转换为自旋电流，即电子电流只有非常特定的自旋方向，因此可以在局部空间中传输产生的角动量。在重金属和铁磁体之间的界面处，该角动量随后对铁磁体中的自旋施加扭矩。该扭矩精确地传递导致自旋波形成的扰动。

通过比较不同的样本，科学家们现在已经能够证明太赫兹场本身不能直接产生自旋波。只有绕道而行才能成功。因此，他们能够证实关于皮秒时间尺度上自旋轨道扭矩效率的理论预测。

因此，新的采样系统充当太赫兹驱动的自旋波源，原则上可以很容易地集成到电路中。这项工作是朝着在新型电子元件中使用太赫兹技术迈出的重要一步。同时，所演示的方法为基于自旋的器件的非接触式表征开辟了新的可能性。