[发明专利]基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器及方法

说明书

本发明提供一种基于自旋泵浦‑逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器及探测方法，利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z，本发明可以一次性测量空间微波磁场矢量，并且通过串联的方式增大逆自旋霍尔电压信号，大大提高了灵敏度。

技术领域

本发明属于自旋电子学应用及电磁场探测的技术领域，具体为一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场矢量探测器。

背景技术

自旋整流效应(spin rectification effect,SRE)是指在铁磁材料中，伴随着铁磁共振中磁矩的周期性进动，磁电阻呈周期性变化，这一交变的电阻与微波感应电流耦合会产生一个直流光电压(V_SRE)。自旋泵浦效应(spin pumping)是指在FM(ferromagnetic)/NM(nonmagnetic)结构的复合层状薄膜结构中，铁磁材料在铁磁共振时产生磁矩进动，从而往非磁性金属内注入自旋流。又由于逆自旋霍尔效应(ISHE，inverse spin Hall effect)，即基于非磁性金属内自旋轨道耦合作用,自旋相反的电子向垂直于自旋流的方向偏转,从而在非磁性金属内，自旋电子的定向移动将自旋流转化为了电荷流。而这个逆自旋霍尔电压(V_ISHE)依赖于微波磁场，所以可以从其值中提取出微波磁场。

微波探测具有重要的意义，广泛应用于无线通信、军用雷达、医学成像、无损检测等方面。对于微波电场，已经发展到利用电场对电子设备里面电荷特性的影响来实现对其的探测。对于微波磁场的探测，传统的方法就是利用法拉第电磁感应定律，有很大的局限性。而更先进的方法就是利用超冷原子形成波色-爱因斯坦凝聚体，再通过其在外部磁场的作用下原子密度会发生变化的原理来实现对微波磁场的探测，但此方法的成本比较高。国外也有人利用自旋整流效应来检测微波磁场，但是需要大量旋转外加静态磁场的测量才能提取出微波磁场的值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对上述问题或不足，本发明利用自旋泵浦-逆自旋霍尔效应从FM/NM复合层状薄膜中的纯净逆自旋霍尔电压值中提取出微波磁场，实现空间微波磁场矢量的探测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器，包括：利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，这里n值越大，灵敏度越高，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波磁场的频段进行设定，遵循基特尔公式；通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压可以得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。