Maximisation de l’efficacité électromagnétique des émetteurs térahertz spintroniques

 

 

Les émetteurs spintroniques pour le térahertz (THz) sont des dispositifs exploitant la spintronique pour générer des rayonnements dans la gamme des fréquences térahertz (0,1 à 30 THz). Ces dispositifs représentent une alternative prometteuse aux sources térahertz conventionnelles grâce à leur simplicité, leur efficacité et leur compatibilité avec les systèmes intégrés.
Dans ces dispositifs réalisés par l’empilement de couches d’épaisseurs nanométriques, un courant de spin créé dans une couche ferromagnétique grâce à l’excitation par une impulsion laser femtoseconde est injecté dans un matériaux non magnétique possédant un fort couplage spin-orbite, tel que le platine ou le tungstène. Le courant de spin est converti en un courant de charge oscillant via l’effet Hall de spin inverse, générant ainsi un rayonnement électromagnétique dans la gamme térahertz, tel que le montre la représentation schématique (Figure a).
Ces émetteurs présentent plusieurs avantages : ils sont compacts, robustes, peu coûteux et fonctionnent à température ambiante. De plus, leur spectre d’émission est très large et ne présente pas de raies d’absorption notamment dues aux phonons présentes avec d’autres sources. Les émetteurs spintroniques pour le térahertz ont des applications dans divers domaines, notamment la spectroscopie, l’imagerie, les communications sans fil ultra-rapides ou encore les études fondamentales de la dynamique des spins.

L’efficacité de la conversion optique en térahertz est en revanche assez faible, ce qui est le principal inconvénient qui empêche une adoption plus large de la technologie THz spintronique. Elle est généralement de l’ordre de 10-5-10-6 par rapport à l’énergie d’entrée totale, ce qui est inférieur d’au moins un à deux ordres de grandeur par rapport aux sources THz traditionnelles pompées optiquement. Les STE nécessitent invariablement des lasers femtoseconde fonctionnant à des niveaux de puissance moyenne de plusieurs watts. L’amélioration de leur efficacité de conversion est une étape critique pour atteindre la compétitivité avec les sources THz conventionnelles. Dans ce contexte, les chercheurs des groupes PHOTONIQUE-THz et AIMAN-FILMS de l’IEMN ont travaillé en collaboration avec l’université technique d’Ostrava (VSB) sur l’amélioration du rendement de conversion grâce à des structures photoniques.

Les cavités photoniques intégrées de type Fabry-Pérot sont composées d’un empilement de matériaux d’indices optiques différents tels que l’oxyde et le nitrure de silicium. Afin de déterminer les épaisseurs et le nombre d’empilements nécessaires, nous avons développé un cadre théorique électromagnétique qui traite rigoureusement les processus pulsés d’excitation et d’émission THz dans les émetteurs spintroniques. Cette approche a permis de concevoir une cavité photonique optimisée qui piège efficacement la quasi-totalité de la puissance spectrale du laser de pompe dans la couche magnétique de pompage de spin. Nous avons opté pour des paires de couches diélectriques distribuées 1D SiO2/SiNx (Figure b), car la structure cristalline photonique résultante ne fait que quelques microns d’épaisseur, ce qui a un impact minimal sur la phase des longueurs d’onde THz générées et entrave donc très peu l’émission THz. Le dispositif dimensionné a été réalisé dans la plateforme CMNF de l’IEMN sur substrat de saphir. L’émetteur est ici un tri-couche W(2nm)/FeCoB (1,8nm)/Pt(2nm). Par rapport aux émetteurs THz spintroniques les plus puissants, la cavité permet d’améliorer de 250 % le champ THz émis (figure c) et, par conséquent, d’augmenter de 8 dB la puissance émise. En parallèle, avec les chercheurs du laboratoire de physique de l’ENS Paris, nous travaillons également sur une cavité térahertz qui amplifie également le signal émis. Actuellement à l’étude, la combinaison de ces deux principes devrait permettre aux émetteurs spintroniques de se rapprocher de la barrière symbolique du milliWatt.

Articles :

Koleják, P., Lezier, G., Vala, D., Mathmann, B., Halagačka, L., Gelnárová, Z., Dusch, Y., Lampin, J.-F., Tiercelin, N., Postava, K. and Vanwolleghem, M. (2024), “Maximizing the Electromagnetic Efficiency of Spintronic Terahertz Emitters”. Adv. Photonics Res., 5: 2400064.

https://doi.org/10.1002/adpr.202400064

Mičica, A. Wright, P. Koleják, G. Lezier, K. Postava, J. Hawecker, A. De Vetter, J. Tignon, J. Mangeney, H. Jaffres, R. Lebrun, N. Tiercelin, M. Vanwolleghem, and S. Dhillon, “Spintronic terahertz emitters with integrated metallic terahertz cavities”. Nanophotonics.
https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0807


Contact :

Mathias Vanwolleghem
Nicolas Tiercelin