Photonics Research 2023年第6期封面文章：
Yunqing Jiang, Hongqing Li, Xiaoqiang Zhang, Fan Zhang, Yong Xu, Yongguang Xiao, Fengguang Liu, Anting Wang, Qiwen Zhan, Weisheng Zhao. Promoting spintronic terahertz radiation via Tamm plasmon coupling[J]. Photonics Research, 2023, 11(6): 1057
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太赫兹频段由于其特殊的优势而具有重大的科学价值和应用场景。太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。其中，结合自旋属性的自旋太赫兹发射器由于高稳定性、低损耗、超宽波段和可控极化等优势在通信、医疗和成像等方面具有重要应用价值。然而，太赫兹弱辐射强度和低效率是限制其广泛应用的重大障碍之一。为解决以上问题，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队的张晓强副研究员通过结合光物理理论和超快光子学技术，提出了一种基于塔姆等离激元增强的新型自旋太赫兹发射器，进而大大提高了太赫兹辐射效率。该工作对结合自旋和太赫兹特性的自旋太赫兹发射器的现实应用具有重要推动作用。
经过多年的研究，自旋太赫兹的产生机制以及调控已取得长足发展。然而，现有自旋太赫兹源及相关太赫兹光谱系统也存在亟待解决的问题：（1）泵浦光利用率较低，产生太赫兹较弱；（2）在太赫兹光谱系统中无法利用的高能泵浦光对后续光学元件产生损伤，并且目前的阻光元件会产生太赫兹波衰减。
为解决上述问题，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队张晓强副研究员团队基于光学中塔姆等离激元理论，提出了一种基于塔姆等离激元增强的新型自旋太赫兹发射器，太赫兹产生效率被大大提升。该工作得到了上海理工大学詹其文教授及中国科学技术大学王安廷副教授的指导。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第6期。
塔姆等离激元是一种存在于金属与一维光子晶体界面处的一种高度局域的光学表面态。与表面等离激元需要棱镜或者光栅激发不同，垂直入射的TE波或TM波都可直接激发塔姆等离激元，并具有损耗低、易制备、易激发等特点。为设计该新型自旋太赫兹发射器，研究团队首先基于传输矩阵理论及光学塔姆等离激元理论，开展了一维光子晶体及自旋太赫兹金属薄膜参数优化设计。根据塔姆等离激元理论，激发塔姆等离激元需满足相位匹配公式
，其中r1、r2、dinsert分别为自旋太赫兹薄膜的反射系数、一维光子晶体的反射系数和自旋太赫兹薄膜与一维光子晶体间中间插入层厚度。研究团队仿真研究了不同波长下自旋太赫兹薄膜的反射相位、一维光子晶体的反射相位和插入层厚度57 nm时
大小，发现在780 nm波长可激发塔姆等离激元。同时，研究结果表明，太赫兹波可高效通过设计的一维光子晶体，为后续器件制备提供了理论基础。
图1（a）传统自旋太赫兹源和集成塔姆等离元的新型自旋太赫兹源；（b）不同波长下自旋太赫兹薄膜的反射相位、一维光子晶体的反射相位及中间插入层厚度57 nm时
的大小；（c）介质层反射光谱随TM波入射角度和波长变化的仿真结果
在理论分析基础上，研究团队首先采用等离子体增强化学气相沉积法制备了一维光子晶体结构；其次借助磁控溅射工艺，在制备的一维光子晶体结构上生长厚度分别为4 nm的Pt/Co金属异质结作为自旋太赫兹源，最终制备出该器件。研究团队通过研究和测试该器件的光谱吸收情况，理论和实验双重验证了该器件可实现塔姆等离激元。
图2（a）太赫兹时域光谱系统测量四个比较实验的图解；（b）测得的太赫兹时域光谱图；（c）基于傅里叶变换得到的太赫兹频域图；（c）不同泵浦波长下普通自旋太赫兹源和集成塔姆等离激元得新型自旋太赫兹源得吸收谱；（d）不同泵浦功率下普通自旋太赫兹源和新型自旋太赫兹源产生太赫兹波振幅大小
随后采用自主搭建的太赫兹时域光谱系统，研究团队测试了该新型自旋太赫兹发射器的太赫兹发射性能。相比传统Pt/Co自旋太赫兹发射器，该新型自旋太赫兹发射器泵浦光利用率从36.8%提升到94.3%，产生太赫兹波强度是传统自旋太赫兹发射器的2.64倍。同时泵浦光的高效吸收及一维光子晶体的存在，使得该发射器兼具高效阻碍泵浦光透过和产生的太赫兹波高效透过的特性。
研究团队表示：“该工作充分展示了塔姆等离激元在增强自旋太赫兹发射及提升太赫兹系统集成化方面的优势，同时该方案也为克服光学结构设计与超快太赫兹光自旋电子学和其他类似器件的低能耗之间的兼容性问题提供了可能性。后续团队将进一步开展自旋太赫兹发射器的相关研发，提升器件的稳定性和太赫兹的产生效率。”
作者简介
姜芸青，硕士，2016年本科毕业于东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，2019年硕士毕业于天津大学微电子学院，2021年至今于北京航空航天大学集成电路科学与工程学院攻读博士学位，主要研究方向为自旋电子学与超快光学，目前已发表论文10余篇，其中3篇论文以第一/共同作者发表于Photonics Research、Optics and Laser Technology、Chinese Optics Letters期刊。
李红庆，硕士，2021年于北京航空航天大学合肥创新研究院联合培养学习，2023年硕士毕业于湘潭大学材料科学与工程学院。主要研究方向为超快光学调控自旋电子，相关成果以第一/共同第一作者发表于Optics and Laser Technology、Photonics Research期刊2篇。
主要研究方向：超快光学调控自旋电子、自旋太赫兹的产生与发射、矢量涡旋光束的产生与应用
张晓强，博士，北京航空航天大学合肥创新研究院特聘副研究员，北京航空航天大学合肥创新研究院微纳科学与技术研究中心主任助理。2016年博士毕业于中国科学技术大学物理学院。近些年来主要从事超快光学调控自旋电子、自旋太赫兹的产生与发射、矢量涡旋光束的产生与应用等研究。以第一/通信作者在Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters等期刊发表论文20余篇，第一发明人申请/授权发明专利20余项。
主要研究方向：自旋电子学与新型信息存储器件
赵巍胜，博士，教授/博导，北京航空航天大学校长助理、研究生院常务副院长，教育部长江学者，IEEE Fellow。2021年科学探索奖，2022华为奥林帕斯先锋奖获得者。2007年获法国南巴黎大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士，2009年获法国国家科学院研究员（终身职位）与法国南巴黎大学客座教授，博士生导师，负责法国科学院基础电子研究所的自旋电子器件设计及建模团队，2011-2013年担任法国南巴黎大学校长助理负责中国事务，2013年入职北京航空航天大学，10月组建自旋电子交叉学科研究中心，2014年与自旋电子创始人、诺贝尔奖得主费尔教授共同组建费尔北京研究院并担任院长。主要研究方向为自旋电子学、新型信息器件、非易失存储器等领域的交叉研究。近五年以第一或通讯作者在 Nature Electronics、PRL，PNAS等期刊及IEDM等顶级会议发表论文300 余篇，其中ESI高被引论文15篇，总索引超过18000次，H因子70，国际会议邀请报120余次，专利150余项（产权转让或授权使用50余项）。2020-2022年连续入选爱思唯尔 “中国高被引学者”。
