L’émission THz en espace libre résultant de la démagnétisation femtoseconde d’un émetteur THz spintronique et de la conversion spin-charge qui s’ensuit dans un matériau à fort couplage spin-orbite a récemment été utilisée de manière routinière pour produire des impulsions THz dont la polarisation peut être réglée par des champs magnétiques, et couvrent continuellement l’intervalle spectral THz de 0.3 à 30 THz. La prochaine génération d’émetteurs THz spintroniques bénéficierait de fonctionnalités supplémentaires, telles que l’obtention d’un régime de génération THz à bande étroite et accordable pour cibler les applications médicales et de télécommunications.

Dans un travail récent publié dans Nature Communications, nous rapportons, en collaboration avec le Laboratoire de Physique de l’ENS, l’Université libre de Berlin, l’Université de Mayence, l’Université de Potsdam et l’Université de Tokyo sur l’émission THz combinée à bande étroite et à bande large en utilisant une structure antiferromagnétique/métal lourd, qui est connue pour posséder des modes modaux dans la gamme THz. Plus particulièrement, nous avons identifié deux mécanismes de génération THz qui découlent de règles d’excitation différentes des courants de spin THz pour deux orientations de croissance de la bicouche : NiO(111)/Pt et NiO(001)/Pt. Dans cette dernière bicouche NiO(001)/Pt, nous avons découvert un nouveau mécanisme basé sur les interactions spin-phonons. Dans ce schéma, des magnons de 1 THz sont générés par le chauffage de la couche de Pt qui agit comme un transducteur chaleur-onde de compression/dilatation (strain). Ainsi, l’onde de strain lancée induit dans le NiO une excitation du mode haute fréquence due à de forts effets de magnéto-strictions. Ces travaux ouvrent la voie à de futurs dispositifs spintroniques THz à base d’antiferromagnétiques.

Ces travaux ont été financés par le programme Horizon 2020 de la Commission Européenne dans le cadre du contrat européen FET-Open n. 863155 (s-Nebula).

Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin–phonon interactions
E. Rongione et al., Nat Commun. 14, 1818 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37509-6

(Left) Schematic diagram of THz emission from bilayer of the antiferromagnetic material NiO (10 nm) and of platinum (2 nm) triggered by femto-second laser pulse. (Right) THz signal signal showing the presence of a peak at 1.1 THz corresponding to the excitation of the magnonic mode of the antiferromagnetic material.