太赫兹（THz）辐射因其在无线通信、成像和安全检测等领域的广泛应用而备受关注。太赫兹波的频率介于微波和红外波段之间，然而，目前在高效率、高集成度以及易调制的太赫兹辐射源方面仍然存在明显的技术瓶颈。传统的太赫兹产生技术，如光电导天线和电光晶体法，面临着太赫兹能量低、带宽小、成本高以及波长依赖等问题，这限制了太赫兹技术的进一步发展。
近年来，基于自旋电子学效应的太赫兹产生方式逐渐引起了研究人员的关注。这种方法由于激光波长依赖度低、超宽带、高效率和高稳定性等优点，展现出了良好的应用前景。其中，增强电荷-自旋-轨道自由度之间的转化效率被认为是提升自旋电子-太赫兹辐射强度的关键所在。
中国科学院金属研究所与中山大学物理学院的合作研究，针对这一领域进行了深入探索。研究团队在多层膜异质结构中引入稀土金属插层，发现在不同稀土金属的作用下，自旋-轨道流的转化机制呈现出显著的差异。特别是在Pt/CoFeB(/Ti)异质结中的太赫兹产生过程，被发现主要依赖于逆自旋霍尔效应和逆轨道霍尔效应，从而实现了自旋-电荷、自旋-轨道-电荷流的高效转化并最终辐射出太赫兹脉冲。
在研究中，团队对稀土金属Nd、Gd和Ho进行了系统的插层研究。轻稀土金属Nd被发现能够将负极化的自旋流转化为负极化的轨道流，进而在Ti层中转化为负极化的电荷流。这一过程导致含Nd插层样品的太赫兹峰对峰强度明显弱于对照样品Pt/CoFeB/Ti。相对而言，重稀土金属Gd和Ho则将负极化的自旋流转化为正极化的轨道流，并在Ti层中转化为正极化的电荷流，使得含Gd和Ho插层的样品中，可观察到增强的太赫兹峰对峰强度。
研究中，通过对照样品Pt/CoFeB/RE与Pt/CoFeB/Ti/RE的太赫兹测量结果，排除了稀土金属自身的自旋-电荷流转化对实验结果的影响。此外，快速傅里叶变换的结果显示，稀土金属Gd不仅在强度上显著增强了太赫兹辐射的整体频谱范围，也提升了其辐射强度，这进一步证明了稀土金属在自旋电子太赫兹辐射中的重要作用。
本项研究得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金的支持，并于9月19日以“Qualitative Identification of the Spin‐to‐Orbital Conversion Mechanism Modulated by Rare‐Earth Nd, Gd, and Ho Metals via Terahertz Emission Measurements”为题，成功发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。这一研究不仅为太赫兹辐射的发展提供了新的思路，也为自旋电子学与太赫兹技术的交叉研究开辟了新的方向。
基于自旋电子学的太赫兹产生机制的研究展示了稀土金属在提升太赫兹辐射性能中的潜力，为未来相关技术的优化与应用奠定了基础。随着对自旋-轨道流转化机制的深入理解，预计在太赫兹技术的应用领域将迎来新的发展机遇。
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