一种基于应变调控反铁磁频率梳的装置和方法

本发明属于太赫兹波段自旋电子器件，具体涉及一种基于应变调控反铁磁频率梳的装置和方法。

背景技术：

1、磁性斯格明子是一种具有拓扑保护的自旋结构，且具有较高的热稳定性。斯格明子和磁子在信息传输和处理中都得到了广泛的研究和应用。自旋波是在铁磁、反铁磁、亚铁磁等磁性材料中，由于相互作用引起的平行或反平行排列的自旋体系，在各种激发作用下引起的磁矩非一致进动。磁子在运动的过程中和斯格明子发生碰撞，因为斯格明子产生的洛伦兹力，使得磁子的传播方向发生了改变，这就是磁子-斯格明子散射的过程。

2、磁振子频梳(mfc)是由等距相干峰组成的自旋波谱，主要用于探究磁体的非线性效应，测量磁体中磁子输运的频率。其工作频率和测量精度在实际应用中起着重要作用。最初是在光学中产生，实现光学频率和微波频率下电磁波之间的相互转换。作为有序磁体中集体自旋激发的量子，磁体与光子相似，由于其低功耗和易操作性，作为信息载体越来越受到关注。2021年，就有学者在理论上预测了磁系统中频率梳的存在。频率梳的产生主要是依赖于磁子和斯格明子呼吸模式之间的非线性耦合过程。同时通过应变调控斯格明子的呼吸模态来调控频率梳的齿间距。当然，铁磁系统激发的自旋波通常在吉赫兹波段，为了能更好的应用在通信传输或高精度计量中，提高自旋波频段至太赫兹波段势在必行。

3、反铁磁性薄膜可以大大提高其工作频率到太赫兹，测量精度同时由频率梳的可控性决定。已有学者在反铁磁系统中通过磁子和斯格明子的非线性耦合发现太赫兹频率梳，将耦合频率提高的太赫兹频段。同时，在合成反铁磁系统中，通过材料参数的选取，构造净磁矩，实现太赫兹波段的频率梳齿间距调控。但如何在原件上，通过外部低功耗的方法，精确可控的调控太赫兹频率梳的齿间距，去实现磁子频率的精密计量、传感和通信领域的应用，还存在一定的缺失。因此，本专利通过应变协同局部磁场频率模式实现了太赫兹波段的频率梳器件的调控。

技术实现思路

1、针对上述太赫兹波段频率梳的低能耗调节方式的空缺，以及传统激发斯格明子呼吸模式的方式能耗高，小型化受限等问题，本发明提供了一种应变协同局部磁场频率来调控太赫兹波段的频率梳的装置和方法。

2、具体的，本发明提供的技术方案如下：

3、一种基于应变调控反铁磁频率梳的装置，所述装置包括电源、顶部电极、底部电极、压电材料层、反铁磁材料层、微波天线和磁场产生装置，其中底部电极、压电材料层、顶部电极、反铁磁材料层从下而上依次紧密结合构成多铁异质结构；

4、所述顶部电极和底部电极别连接所述电源的两端，所述电源为脉冲电压源，用于对压电材料层施加脉冲电压；

5、所述压电材料层用于在电压作用下在上表面产生面内双轴各向同性应变，并将产生的应变传递至反铁磁材料层；

6、所述反铁磁材料层具有磁致伸缩性质，所述反铁磁材料层的中心区域承载斯格明子；

7、所述磁场产生装置用于在反铁磁材料层的中心区域施加局部垂直磁场，激发斯格明子的本征呼吸模式；激发的斯格明子的本征呼吸模式受反铁磁材料层内的应变大小的影响而变化；

8、所述微波天线放置在反铁磁材料层上表面局部垂直磁场所在区域之外，用于激发沿设定方向传播的自旋波，所述微波天线的形状为长条形，延伸方向与设定方向垂直，所述自旋波在反铁磁材料层中传播至局部垂直磁场所在区域时，自旋波与局部垂直磁场激发出的斯格明子本征呼吸模式发生耦合后散射，产生包含了频率梳的散射波。

9、优选的，所述的脉冲电压为单个恒定矩形脉冲电压。

10、优选的，所述斯格明子为奈尔型反铁磁斯格明子。

11、优选的，反铁磁材料层边缘设置梯度阻尼以消除自旋波的反射干扰。

12、优选的，压电材料层厚度为1～10μm，反铁磁材料层厚度为5～20nm，顶部电极和底部电极厚度皆为10～20nm。

13、优选的，所述顶部电极和底部电极的材料为铂、金或银，压电材料层的材料为锆钛酸铅或聚偏氟乙烯，反铁磁材料层的材料为钾锰氟或铁锰。

14、优选的，所述顶部电极、底部电极通过磁控溅射或蒸镀方法制作，反铁磁材料层通过熔盐法合成。

15、优选的，所述微波天线产生的自旋波为纵波，传播方向为从微波天线到局部垂直磁场的方向；所述局部垂直磁场仅作用在反铁磁材料层中承载有反铁磁斯格明子的区域，所述局部垂直磁场为交变磁场，方向为垂直方向。

16、优选的，所述装置还包括探测元件，所述探测元件为磁隧道结，置于反铁磁材料层上表面远离微波天线的一端，用于用于探测探测元件所在区域的磁化强度信号，探测元件探测的信号通过傅里叶变换后得到频域信号，从而得到散射波中的频率梳信息。

17、本发明还提出了一种基于应变调控反铁磁频率梳的方法，该方法基于上述的基于应变调控反铁磁频率梳的装置实现，包括以下步骤：

18、磁场产生装置在反铁磁材料层的中心区域产生局部垂直磁场，微波天线激发出自旋波，在反铁磁材料层中沿设定方向传播，传播至局部垂直磁场所在区域时与斯格明子本征呼吸模态发生耦合后散射，产生包含频率梳的散射波，所述自旋波和散射波皆达到太赫兹波段；

19、接通电源，顶部电极和底部电极对压电材料层上下表面施加矩形脉冲电压，使压电材料层表面发生面内双轴各向同性应变，由矩形脉冲电压的幅值以及压电材料层的压电常数控制压电材料层的最大应变值；

20、压电材料层产生的应变传递至反铁磁材料层，反铁磁纳米薄膜上的磁晶各向异性发生改变，使反铁磁纳米薄膜上的斯格明子尺寸发生变化，从而导致斯格明子的本征呼吸模式发生变化，具体的，若反铁磁材料层内的应变为拉应变，拉应变越大，斯格明子的本征呼吸频率越小，反之越大；若反铁磁材料层内的应变为压应变，压应变越大，呼吸频率越大，反之越小，当前的斯格明子本征呼吸频率即为当前的斯格明子本征呼吸模式；最终所得散射波中频率梳的齿间距与当前的斯格明子本征呼吸频率相等，从而实现应变调控频率梳齿间距的功能。

21、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

22、(1)本发明通过自旋波与斯格明子本征呼吸模态耦合产生散射波，该散射波在频域即体现为频率梳，主要用在测量磁子输运的频率或探测材料缺陷，也可用于通信领域的信号传输。

23、(2)本发明通过面电极控制材料层的应变，当太赫兹波段的自旋波与斯格明子耦合时，实现应变调控散射波的频率梳齿间距功能。磁振子频梳主要用于探究磁体的非线性效应，测量磁体中磁子输运的频率。其工作频率和测量精度在实际应用中起着重要作用。一方面，提高工作频率到太赫兹波段，可以显著提升探测频率范围，耦合的散射波充当了微波段和太赫兹波段之间的桥梁。另一方面是应变可以调控频率梳齿间距，调节频率梳主峰与频谱间隙之间的相干峰的数量，从而调控测量精度。

24、(3)本发明通过对反铁磁体的应变调控，而非改变材料参数来实现太赫兹频率梳器件的功能调控。应变的手段具有低功耗，良好的局域性操控等特性，具体取决于电极的尺寸。