一种可用于集成芯片的太赫兹信号发生器、太赫兹信号产生方法及调控方法与流程

本发明涉及电磁技术，特别是涉及一种可用于集成芯片的太赫兹信号产生方法。

背景技术：

太赫兹波，即频率为0.1thz-10thz范围的电磁波，其对应波长为3mm到30μm。在电磁频谱中，介于毫米波与红外光之间，从能量上看，介于光子与电子之间。太赫兹频段处于宏观理论向微观量子理论的过渡区，其位置的特殊性决定了其丰富的科学内涵和广阔的应用前景。包括太赫兹雷达和通信、光谱和成像、无损探伤、安全监测等领域。然而，太赫兹应用对高效、高功率、低成本、室温工作的太赫兹源依然具有强烈的需求。

太赫兹信号的产生方法一般可分为基于光学的太赫兹信号方法和自旋电子学的太赫兹信号发生方法。基于光学的太赫兹信号方法包括自由电子激电器、电光晶体太赫兹脉冲源、瞬时光电产生太赫兹电磁脉冲等。另一类是基于自旋电子学方法，比如利用交流约瑟夫森电流效应，超导约瑟夫森结也可以产生太赫兹信号源。

上述的所有方法都存在一些弊端，有的需要的结构复杂、设备昂贵；有的需要高电压和高磁场，消耗的能量巨大；有的又需要极低温的条件来实现超导效应，不利于实际的生产和应用。也正是因为现有的太赫兹信号源的种种弊端严重影响了太赫兹技术的发展，开发新的可实用性的技术具有重大的研究意义和价值。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可用于集成芯片的太赫兹信号产生方法，太赫兹信号发生器结构简单，并且可以通过较低的自旋极化电流密度来驱动磁斯格明子运动，从而产生太赫兹信号。此外我们可以通过改变自旋极化电流密度的大小、外加磁场的强度、器件结构的几何因素以及材料的特性来共同调控产生信号的频率范围。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种可用于集成芯片的太赫兹信号发生器，包括衬底、磁性纳米条带、第一电极、第二电极、磁性隧道结和电源，磁性纳米条带设置在衬底上，第一电极和第二电极分别与磁性纳米条带的两端电连接，且第一电极和第二电极分别包裹一段磁性纳米条带，电源分别与第一电极和第二电极电连接，磁性隧道结覆盖在磁性纳米条带中间区域，磁性隧道结覆盖的区域为磁矩的检测区域。

本发明还提供了一种基于上述可用于集成芯片的太赫兹信号发生器的太赫兹信号产生方法，包括：

(1)激发太赫兹信号发生器的磁性纳米条带产生磁斯格明子；

(2)通过电源的正极和负极给磁性纳米条带通外加电流，外加电流使磁性纳米条带内部产生自旋极化电流，通过自旋极化电流诱导产生的自旋转移矩驱动磁斯格明子在磁性纳米条带中沿着自旋极化电流的方向运动；

(3)检测区域内磁斯格明子运动引起磁矩变化，磁矩随时间的变化产生太赫兹信号；在磁性纳米条带中的检测区域利用磁性隧道结来检测该检测区域内磁矩因磁斯格明子运动而引起的变化，从而产生太赫兹信号。

进一步的，步骤(1)中产生磁斯格明子的方法为：在磁性纳米条带的边界处通过面内脉冲磁场激发出一连串的磁斯格明子；或利用垂直极化电流在磁性纳米条带中激发磁斯格明子；或通过给磁性纳米条带局部加热激发出磁斯格明子。

进一步的，步骤(2)中在外加电流作用下驱动磁斯格明子的动力学行为用包含自旋转移矩的landau-lifshitz-gilbert(llg)方程来计算：

其中，m是局域磁矩，heff是有效磁场，ms是饱和磁化强度，γ是旋磁比，α表示吉尔伯特阻尼系数，β是非绝热系数，表示对矢量做偏导；其中有效磁场能包括静磁能、交换能、各向异性能和dm相互作用能；dm相互作用诱导的dm场是连续的；其中，dm相互作用能hdm的计算公式为：

其中，d为dm的相互作用常数，单位是mj/m²，m表示沿磁化方向的单位矢量，mz表示沿z方向的磁矩分量，真空磁导率为μ0，表示取z方向的结果，u表示自旋极化电流的密度，计算公式为：

其中，e表示电子电量，j表示外加电流密度，μb表示玻尔磁子，p表示自旋极化常数，g表示为朗德因子。

本发明还提供了一种对上述可用于集成芯片的太赫兹信号发生器产生的太赫兹信号的调控方法，包括以下步骤：

(1)将太赫兹信号发生器放置在外加磁场中，并激发太赫兹信号发生器的磁性纳米条带产生磁斯格明子；

(2)通过电源的正极和负极给磁性纳米条带通外加电流，外加电流使磁性纳米条带内部产生自旋极化电流，通过自旋极化电流诱导产生的自旋转移矩驱动磁斯格明子在磁性纳米条带中沿着自旋极化电流的方向运动；

(3)检测区域内磁斯格明子运动引起磁矩变化，磁矩随时间的变化产生太赫兹信号；在磁性纳米条带中的检测区域利用磁性隧道结来检测该区域内磁矩因磁斯格明子运动而引起的变化，从而产生太赫兹信号；

(4)通过dmi值、磁性纳米条带的长度l、外加磁场强度hz、自旋极化电流密度u、磁斯格明子晶格间距d和检测区域s的宽度来精确地调控太赫兹信号频率的范围。

进一步的，步骤(1)中产生磁斯格明子的方法为：在磁性纳米条带的边界处通过面内脉冲磁场激发出一连串的磁斯格明子；或利用垂直极化电流在磁性纳米条带中激发磁斯格明子；或通过给磁性纳米条带局部加热激发出磁斯格明子。

进一步的，步骤(2)中在外加电流作用下驱动磁斯格明子的动力学行为用包含自旋转移矩的landau-lifshitz-gilbert(llg)方程来计算：

其中，m是局域磁矩，heff是有效磁场，ms是饱和磁化强度，γ是旋磁比，α表示吉尔伯特阻尼系数，β是非绝热系数，表示对矢量做偏导；其中有效磁场能包括静磁能、交换能、各向异性能和dm相互作用能；dm相互作用诱导的dm场是连续的；其中，dm相互作用能hdm的计算公式为：

其中，d为dm的相互作用常数，单位是mj/m²，m表示沿磁化方向的单位矢量，mz表示沿z方向的磁矩分量，真空磁导率为μ0，表示取z方向的结果，u表示自旋极化电流的密度，计算公式为：

其中，e表示电子电量，j表示外加电流密度，μb表示玻尔磁子，p表示自旋极化常数，g表示为朗德因子。

进一步的，步骤(4)具体为：

(41)通过调节自旋极化电流密度从而达到调控太赫兹信号频率的范围；从模拟数据中，得到了自旋极化电流密度u与太赫兹频率之间存在线性关系，对于搓板频率峰值f0＝au-b，其中a为斜率，b为截距；

(42)通过改变相邻磁斯格明子晶格间距d，来观测太赫兹频率的变化情况；得到了关于搓板频率f0与磁斯格明子晶格间距d以及自旋极化电流密度的关系；即：f＝au-b，其中，a为斜率，b为截距，且a和b的值根据磁斯格明子晶格间距d的不同而不同。

有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案因为磁斯格明子具有纳米尺寸和超低的阈值电流密度，因此本发明中器件的尺寸仅仅在几百纳米到几微米之间，并且在无需外加磁场的条件下仅通过较小的电流就可以驱动磁斯格明子运动，从而实现产生太赫兹信号波的产生。并能通过dmi值、磁性纳米条带的长度l、外加磁场强度hz、自旋极化电流密度u、磁斯格明子晶格间距d和检测区域s的宽度来精确地调控太赫兹信号频率的范围。

附图说明

图1为本发明太赫兹信号发生器的结构示意图；

图2为本发明提供的太赫兹信号频率对自旋极化电流密度的依赖关系图；

图3为本发明固定自旋极化电流密度，探究太赫兹信号频率对磁斯格明子晶格间距d的依赖关系图；

图4为本法发明固定自旋极化电流密度u以及磁斯格明子晶格间距d，探究太赫兹信号频率对外加磁场hz、材料参数dmi、磁性纳米条带长度l、监测区域的宽度s的依赖关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供了一种可用于集成芯片的太赫兹信号产生方法。因为磁斯格明子具有纳米尺寸以及超低的阈值电流密度，因此可以在通过合适大小的电流且不需要外加磁场的情况下，就可以输出太赫兹信号波。从应用的角度来看，基于磁斯格明子运动从而产生太赫兹信号是非常有前景的。此外，太赫兹光谱的产生在5g和6g无线电信系统的应用中起着重要作用。

如图1(a)所示，一种可用于集成芯片的太赫兹信号发生器，包括衬底1、磁性纳米条带2、第一电极3、第二电极4、磁性隧道结和电源，磁性纳米条带设置在衬底上，第一电极和第二电极分别与磁性纳米条带的两端电连接，且第一电极和第二电极分别包裹一段磁性纳米条带，电源分别与第一电极和第二电极电连接，以驱动磁性纳米条带的磁斯格明子沿着自旋极化电流的方向运动；磁性隧道结覆盖在磁性纳米条带中间区域，磁性隧道结覆盖的区域为磁矩的检测区域5，磁矩的检测区域5的宽度为s，磁性隧道结用来检测磁矩随时间的变化。

磁性纳米条带易于产生磁斯格明子，可以为磁性重金属材料、薄膜材料或体材料等。本实施例中，选取的磁性纳米条带长度为2200nm，宽度为520nm，厚度为1nm，分别沿着x，y，z三个方向，磁斯格明子包括多个晶格单元，每个晶格单元的大小分别为2nm×2nm×1nm。为了驱动磁斯格明子移动，我们给磁性纳米条带通入沿x方向的外加电流，同时在磁性纳米条带的中间固定一个宽4nm的检测区域s，利用磁性隧道结(mtj)来检测该检测区域内磁矩因磁斯格明子运动而引起的变化，从而实现太赫兹信号的产生。

一种基于可用于集成芯片的太赫兹信号发生器的太赫兹信号产生方法，包括以下步骤：

(1)激发太赫兹信号发生器的磁性纳米条带产生磁斯格明子；产生磁斯格明子的方法包括：在磁性纳米条带的边界处通过面内脉冲磁场激发出一连串的磁斯格明子；或利用垂直极化电流在磁性纳米条带中激发磁斯格明子；或通过给磁性纳米条带局部加热激发出磁斯格明子。

(2)通过电源的正极和负极给磁性纳米条带通外加电流，外加电流使得磁性纳米条带内部的电子运动，从而产生自旋极化电流，通过自旋极化电流产生的自旋转移矩驱动磁斯格明子在磁性纳米条带中沿着x轴正方向运动；具体为：

在外加电流驱动下磁斯格明子的动力学行为用包含自旋转移矩的landau-lifshitz-gilbert(llg)方程来计算：

其中，m是局域磁矩，heff是有效磁场，ms是饱和磁化强度，γ是旋磁比，α表示吉尔伯特阻尼系数，β是非绝热系数，表示对矢量做偏导；其中有效磁场能包括静磁能、交换能、各向异性能和dm相互作用能；dm相互作用诱导的dm场是连续的；其中，dm相互作用能hdm的计算公式为：

其中，d为dm的相互作用常数，单位是mj/m²，m表示沿磁化方向的单位矢量，mz表示沿z方向的磁矩分量，真空磁导率为μ0，表示取z方向的结果，u表示自旋极化电流的密度，计算公式为：

其中，e表示电子电量，j表示外加电流密度，μb表示玻尔磁子，p表示自旋极化常数，g表示为朗德因子。

(3)检测区域内磁斯格明子运动引起磁矩变化，磁矩随时间的变化产生太赫兹信号；具体为：

在磁性纳米条带中的检测区域利用磁性隧道结(mtj)来检测该区域内磁矩因磁斯格明子运动而引起的变化，从而实现太赫兹信号的产生。

我们使用mumax3数值模拟软件研究了磁性纳米条带中磁斯格明子的运动情况。当磁斯格明子晶格穿过磁性纳米条带边缘时，在固定的检测区域s中因磁斯格明子运动而引起磁矩的振荡从而产生搓板频率f＝v/d，其中v是磁斯格明子运动的速度，d是磁斯格明子晶格在运动的方向之间的距离，如图1(b)所示。

在这里，能够通过改变自旋极化电流的密度u，外加的磁场强度hz，材料参数dmi值和磁性纳米条带中的几何条件来调控产生信号的频率范围。大致可以通过dmi值、磁性纳米条带的长度l、外加的磁场强度hz、自旋极化电流密度u、磁斯格明子晶格间距d和检测区域宽度s来精确地调控太赫兹信号频率的范围。

总而言之，通过调节自旋极化电流强度u，我们能够将产生的频率从mhz调控到thz的范围，因此证明了电流驱动磁斯格明子的运动可以用于集成芯片的太赫兹信号产生。

一种上述产生的太赫兹信号的调控方法，包括以下步骤：

(1)将太赫兹信号发生器放置在外加磁场中；

(2)采用上述太赫兹信号产生方法产生太赫兹信号；

(3)通过dmi值、磁性纳米条带的长度l、外加磁场强度hz、自旋极化电流密度u、磁斯格明子晶格间距d和检测区域s的宽度来精确地调控太赫兹信号频率的范围。

具体为：

如图2(b)所示，我们可以通过调节自旋极化电流密度从而达到调控太赫兹信号频率的范围。从模拟数据中，我们得到了自旋极化电流与太赫兹频率之间存在线性关系，例如对于搓板频率峰值f0＝0.0125u-3.5×10^-4，其中0.0125为斜率，-3.5×10^-4为截距。

如图3(b)所示，我们通过改变相邻磁斯格明子的间距d，来观测频率的变化情况。从数据上得到了关于搓板频率f0与磁斯格明子的间距d以及自旋极化电流密度的关系即：d＝50nm时，f＝0.00622u-0.10864；d＝100nm时，f＝0.01245u-0.26948；d＝200nm时，f＝0.0248u-0.72809。

如图4(a)、(b)、(c)所示，我们发现外加磁场hz、dmi值、纳米条带的长度l、以及磁矩检测区域s的宽度对于太赫兹频率的调节几乎没有影响。

实施例：

首先，研究了自旋极化电流密度u即磁斯格明子的速度对信号频率的影响，如图2(b)所示。太赫兹信号频率高度线性地依赖于自旋极化电流密度u的值，当u从1×10¹⁰m/s增加到5.5×10¹⁴m/s时，f0、f1、f2的频率从9.9/0/0mhz增加到0.69/0.138/2.06thz。

其次，探究了磁斯格明子晶格间距d对太赫兹信号频率的依赖关系，如图3所示。在图3(a)中显示了在零磁场下且d分别为50、100和200nm，u＝5×10¹³m/s时的典型频谱图。搓板频率f0由磁斯格明子速度v和磁斯格明子晶格d确定为f0＝v/d。如图3(a)-图3(d)所示，对于相同的自旋极化电流密度u，搓板频率与磁斯格明子晶格间距存在倍数关系：fn(d＝50nm)＝2fn(d＝100nm)＝4fn(d＝200nm)。

然后，我们分别研究了太赫兹信号频率对外加磁场hz，材料参数dmi和磁性纳米条带长度l的依赖性。图4(a)-图4(c)数据结果显示太赫兹信号频率对外加磁场hz，dmi和l不敏感。

最后，我们研究了检测区域s对太赫兹信号频率的影响，图4(d)表明，当s从4nm增大到160nm时，频率信号的峰值保持不变，相反，频率信号强度随s的增加而降低。

使用包含了dm相互作用和自旋转移矩的微磁模拟软件mumax3对磁斯格明子的动力学行为进行了模拟。模拟过程中使用的参数如下：饱和磁化强度ms＝5.8×10⁵a/m，交换常数a＝1.5×10^-11j/m，垂直磁各向异性ku＝0.8mj/m³，dmi相互作用常数d＝3mj/m²，吉尔伯特阻尼系数α＝0.3，非绝热系数β＝0.3，旋磁比γ＝2.211×10⁵m/as，自旋极化常数p＝0.4。首先，在图2(a)中，我们先取磁斯格明子晶格间的距离d＝100nm，自旋极化电流密度u＝16×10¹³m/s时，通过对检测区域s的磁矩随时间的变化，并进行快速傅里叶变换得到的典型太赫兹信号频谱，如图1(c)、(d)所示。其频率在太赫兹区域有三个峰值，其中搓板频率f0＝0.2thz，两个高次谐波频率f1＝0.4thz，f2＝0.6thz。研究结果发现，两个高次谐波频率f1和f2与搓板频率f0存在的函数关系为fn＝(n+1)f0。同时，fn的强度随着频率的增加而减小。除了f1和f2，还有更高阶的低强度高次谐波频率，在图2(a)中没有显示出来。考虑太赫兹信号强度，我们主要选取f0、f1、f2三个信号频率作为主要研究对象。为了进一步研究太赫兹频率信号的可调性，我们首先研究了自旋极化电流密度u即磁斯格明子的速度对信号频率的影响，如图2(b)所示。信号频率高度线性地依赖于自旋极化电流密度u的值，当u从1×10¹⁰m/s增加到5.5×10¹⁴m/s时，f0/f1/f2的频率从9.9/0/0mhz增加到0.69/0.138/2.06thz。频率随u的增加可以由磁斯格明子的速度增加来理解。由于磁斯格明子的晶格间距d在运动过程中是不变的，所以磁斯格明子的速度越快，它们通过检测区域s所需的时间越短，因此mz的振荡周期越短，产生的信号频率也就越高。

到目前为止，已经证明了太赫兹信号频率的可调性，我们将研究其他因素的影响：磁斯格明子晶格间距d，外加磁场hz，材料参数dmi，磁性纳米条带长度l的几何形状以及检测区域s的宽度。在图3(a)中显示了在零磁场下且d分别为50、100和200nm，u＝5×10¹³m/s时的典型频谱图。搓衣板频率f0由磁斯格明子速度v和磁斯格明子晶格d确定为f0＝v/d。如图3(a)-图3(d)所示，对于相同的自旋极化电流密度u，搓板频率与晶格间距存在倍数关系：fn(d＝50nm)＝2fn(d＝100nm)＝4fn(d＝200nm)。例如，对于自旋极化电流密度u＝2.0×10¹⁴m/s，且晶格间距d为50,100,200nm，f0＝0.50/0.25/0.12thz，f1＝0.99/0.50/0.25thz和f2＝1.49/0.74/0.37thz。太赫兹信号频率主要是依靠检测区域s中磁矩mz振荡周期，因此，太赫兹信号频率强度主要依赖于磁斯格明子晶格间距d。此外当磁斯格明子晶格间距d为50nm且自旋极化电流密度u＝5.0×10¹⁴m/s时，高次谐波频率f2的可以达到3.734thz。

在图4中分别描述了固定磁斯格明子晶格间距d＝100nm和自旋极化电流密度u＝5×10¹³m/s，探究太赫兹信号频率对外加磁场hz，材料参数dmi和磁性纳米条带的长度l的依赖性。数据结果显示太赫兹信号频率对磁场hz，dmi和l不敏感。尽管hz和dmi的值可以极大地改变斯格明子的大小，但是信号频率受它们的影响很小。在磁斯格明子存在的范围内，磁场从0mt调节到100mt，搓板频率f0仅仅从62.07ghz改变到60.69ghz，仅变化了3.2％，同样对于f1和f2也观察到类似的趋势。另一方面，通过将dmi从2.8mj/m²调节为4mj/m²，f0的频率仅仅是从60.89ghz变化为62.97ghz，变化幅度仅为3.4％，而f1和f2的频率变化幅度分别为3.3％和3.4％。此外，通过改变磁性纳米条带的长度l，f0，f1，f2的频率保持不变，如图4(c)所示。最后，我们研究了检测区域s的影响，图4(d)表明，当s从4nm增大到160nm时，频率信号的峰值保持不变，相反，频率信号强度随s的增加而降低。

本发明的一种采用集成芯片的太赫兹信号产生方法，太赫兹信号是通过检测区域磁斯格明子运动引起的磁矩随时间的振荡而得到的。太赫兹信号有多个频率，搓板频率和高次谐波频率。实验数据表明，太赫兹信号频率对自旋极化电流密度u和磁斯格明子晶格间距d高度敏感，表现出从几兆赫到4thz的可调性。我们的研究结果可以证明，磁斯格明子晶格可以作为集成芯片的太赫兹信号产生的一种新方法，频率的调节范围可从ghz到thz。