近日，微系统与太赫兹研究中心（简称“微太中心”）太赫兹物理团队及其合作者在Nano Letters（中科院一区TOP期刊）上发表了题为《Anomalous Nernst Effect Induced Terahertz Emission in a Single Ferromagnetic Film》的论文，报道了自旋太赫兹发射机理研究方面取得的新进展——成功发现并证实了基于反常能斯特效应的太赫兹产生新机理。

获得高性能的太赫兹脉冲源一直是太赫兹领域研究的热点。基于铁磁/非磁纳米薄膜异质结构的新型自旋太赫兹源，由于结构简单、成本低廉、偏振可调、频谱宽（>10THz）等优点，获得了大量关注、研究并取得了很大进展。自旋太赫兹源的机理为飞秒激光诱导的超快自旋流从铁磁层注入非磁层，在非磁层中由于逆自旋霍尔效应转换为亚皮秒的瞬态电荷流，并辐射太赫兹脉冲。其中关于超快自旋流的产生，还存在是否与铁磁/非磁界面温度相关的争议；同时，单独的铁磁层在飞秒激光泵浦下也可以产生太赫兹，这个比自旋太赫兹源更早被发现的现象，其产生机理也存在超快退磁、反常霍尔效应两种机理的争议。而这些争议的解决，将对自旋太赫兹源的性能提升起到非常关键的指导作用。

团队发现，单层铁磁薄膜的太赫兹发射的超快退磁机理、反常霍尔效应机理，都忽略了飞秒激光在铁磁薄膜中所产生的热相关效应。从原理上分析，飞秒激光诱导的亚皮秒尺度的反常能斯特电流亦可辐射太赫兹脉冲。为了验证上述想法，团队自主搭建了双向激光泵浦——太赫兹探测的时域谱测试平台，如图1所示。该平台除可实现常规的翻转样品的操作，还创新性地增添了激光空间反演对称性操作。基于翻转样品、激光空间反演的两次对称性操作，团队发展了一套太赫兹辐射对称性分析方法，建立了分辨不同自旋太赫兹产生机理的标准（图2左图）。

基于上述方法，团队发现不同厚度的Fe薄膜具有不同的太赫兹发射对称性(图2右图)。当厚度在~90nm以上时，由超快退磁机理主导，与前人的结论一致；而当厚度在90nm以下时，其在激光空间反演操作下呈现出了反常能斯特效应的对称性特征（如按仅按常规的翻转样品操作，反常能斯特和超快退磁的特征一样，无法区分）。这是首次发现基于反常能斯特效应的太赫兹发射，并定量给出了其占主导的条件。

该工作不仅厘清了单独铁磁层的太赫兹产生机理，更是为太赫兹自旋电子学领域贡献了新视角和新方法。团队后续将基于以上新认知并发展新方法，研究自旋太赫兹源中的超快自旋流的产生争议以及基于反常能斯特效应的太赫兹产生效率提升等问题，为自旋太赫兹源的性能突破继续努力。

该工作由微太中心太赫兹物理团队联合相关团队完成，冯正为论文的第一作者和共同通讯作者，谭为提出了定量分离超快退磁和反常能斯特贡献的自洽方法，孙松在超快温度计算中发挥了重要作用。该工作得到了国家自然科学基金（Nos. 62027807, 61988102, 62005256, 11974165, 61975110, 51971110, 52176075）和国家重点研发计划（No. 2021YFA1401400）的资助。

文：冯正