Твердотельный источник электромагнитного излучения

Заявляемое устройство относится к классу квантовых генераторов с токовой накачкой. Оно предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцовых субмиллиметровых и инфракрасных частот.

Известен источник когерентного излучения (лазер) [Osipov V.V., Brutkovski A.M. Heterolaserand light emittingsource of polarized radiation, United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.

Известно устройство [Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М., Панас А.И., Крикунов А.И. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент РФ №2344528, январь 20, 2009 г.] для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одного ферромагнитного проводящего материала. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за малости размеров его рабочего слоя (десятки нанометров) через него можно пропускать малые токи (единицы микроампер) даже при достижимой рабочей плотности тока 10⁷-10⁹ А/см², что ограничивает мощность генерации.

Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн, С.Г Чигарев. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент №2464683. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 октября 2009 г.], содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, причем контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем. Предельно допустимый ток в таком устройстве 200-300 мА ограничивает мощность излучения. Кроме того, использование одного стержня снижает надежность работы устройства и сокращает его срок службы.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне длин волн, в частности в терагерцовом диапазоне.

Указанная задача решается тем, что твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, в отличие от известного дополнительно содержит несколько цилиндрических стержней, выполненных аналогично указанному выше и соединенных с тем же полюсом источника питания, а пластина дополнительно содержит несколько отверстий, аналогичных указанному выше отверстию, причем число отверстий равно числу цилиндрических стержней, каждый из которых входит в соответствующее отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, при этом расстояние D между осями соседних стержней выбрано из условия

где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D₁ - диаметр

цилиндрического участка стержня.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства (вид сбоку), на фиг. 2 изображены энергетические спиновые подзоны для электронов, имеющих спины противоположной ориентации, направление которых указано тонкими стрелками. Направление вниз - параллельно намагниченности стержня, направление вверх - антипараллельно намагниченности стержня. Такая картина наблюдается для каждого из цилиндрических стержней.

Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения (см. фиг. 1) содержит источник питания 1, рабочий слой 2, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке 3 из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, несколько цилиндрических стержней 4 с заостренными концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенных с одним из полюсов источника питания 1, пластину 5 из проводящего материала со сквозными отверстиями 6, число отверстий 6 равно числу цилиндрических стержней 4, каждый из которых входит в соответствующее отверстие 6 так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем 2. Расстояние D между осями соседних цилиндрических стержней 4 выбрано из условия

где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D₁ - диаметр цилиндрического участка стержня. Пластина 5 соединена с другим полюсом источника питания 1.

Торец заостренного конца каждого из цилиндрических стержней 4 в плане может иметь произвольную форму (окружность, эллипс, многоугольник и тому подобное). При этом протяженность границы торца - его периметр, определяется из условия

где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, j_n - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя 2, которая выбирается соизмеряемой с толщиной скин-слоя для материала рабочего слоя 2. Цилиндрические стержни 4 служат для подвода электрического тока, формирования намагниченности М₂ рабочего слоя 2 и являются радиаторами, охлаждающими рабочую область слоя 2.

Намагниченность М₁ каждого из цилиндрических стержней 4 (см. фиг. 1) направлена вдоль его оси, намагниченность М рабочего слоя 2 при отсутствии цилиндрических стержней 4 направлена параллельно плоскости слоя 2, перпендикулярно оси цилиндрических стержней 4. Контакт цилиндрических стержней 4 с рабочим слоем 2 обеспечивает из-за суперпозиции полей М₁ и М появление в рабочем слое 2 для каждого контакта составляющей намагниченности М₂, параллельной оси цилиндрических стержней 4 и имеющей направленность, противоположную М₁ [Е.А. Вилков, П.Е. Зилберман, Г.М. Михайлов, С.Г. Чигарев. Магнитостатическое поле в ТГц структуре стержень-пленка // РЭ, 2014, том 59, №10, с. 1-10]. Такое распределение намагниченности для каждого цилиндрического стержня обеспечивается разнесением соседних цилиндрических стержней на расстояние D, большее диаметра цилиндрического участка стержня 4.

Эффект сложения мощностей излучения от каждого цилиндрического стержня 4 достигается накладыванием на расстояние D дополнительного условия фазирования сигнала

где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D₁ - диаметр цилиндрического участка стержня.

Эффект сложения мощности излучения от каждого цилиндрического стержня 4 может достигаться и накоплением мощности в резонансной системе, с выводом ее части из резонатора в свободное пространство. Но и в этом случае необходимо выполнение условия (1).

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2, на которой энергетические подзоны изображены по оси энергии Е). При подаче на цилиндрические стержни 4 и пластину 5 напряжения U источника питания 1 в его цепи возникает электрический ток. Проходя по цилиндрическим стержням 4, спины электронов тока в каждом из цилиндрических стержней ориентируются по или против намагниченности М₁, занимая соответственно нижнюю (параллельные спины) или верхнюю (антипараллельные спины) энергетические подзоны, то есть происходит спин-поляризация электрического тока. Поляризации электронов обозначены на фиг. 2 тонкими стрелками. Поляризованный по спину электрический ток, находясь в энергетическом равновесии, удерживаемом намагниченностью М₁ за счет смещения по энергии дна подзон на величину ΔЕ₁, но имея для обеих энергетических подзон общий уровень Ферми ε_F, указанный на фиг. 2 штриховой линией, вытекает из цилиндрических стержней 4 и растекается по рабочему слою 2 с иной намагниченностью М₂ от каждого стержня до границы соответствующего отверстия 6 пластины 5. Электроны тока, оказавшись в рабочем слое 2 с иной намагниченностью М₂, испытывают обменное взаимодействие с намагниченностью М₂, направленной против М₁,. приводящей к изменению смещения дна подзон до величины ΔЕ₂. В результате этого взаимодействия энергетические подзоны меняют свое положение по энергии Е. Электроны со спинами, антипараллельными М₁, опускаются по энергии до уровня, показанного на фиг. 2 штрихпунктирной жирной линией, а электроны с противоположными спинами увеличивают свою энергию до уровня, показанного жирной сплошной линией. С учетом кинетической энергии инжектированных из стержней 4 электронов они заполняют все состояния между дном подзон и соответствующими квазиуровнями Ферми ε_F↓ и ε_F↑, показанными на фиг. 2 тонкими линиями. Таким образом, спин-поляризованный электрический ток оказывается в энергетически возбужденном состоянии, что наблюдается на длине спиновой релаксации l~30 нм. Проходя этот участок рабочего слоя 2 за границей торца острия каждого из цилиндрических стержней 4, энергетически возбужденные электроны релаксируют с излучением кванта энергии.

Для достижения мощности излучения, превышающей мощность потерь в рабочем слое 2, необходима большая плотность тока 10⁶-10⁹ А/см². Такая плотность тока достигается в рабочем слое 2 для каждого из цилиндрических стержней 4 у торца его острия из-за малости толщины рабочего слоя (десятки нанометров) и определяется соотношением (2).

В частном случае, когда торец острия каждого из цилиндрических стержней 4 имеет круглую форму, его периметр L=2Rπ, где R - радиус торца острия цилиндрического стержня. Оценка для круглого торца острия стержней 4 показывает, что при электрическом токе 0,1 А, протекающем через каждый цилиндрический стержень 4, плотность тока 10⁷ А/см² в рабочем слое 2 достигается при R=10 мкм и толщине пленки Δ=10 нм. Опыт работы с заявляемым устройством показывает допустимость протекания и больших значений тока через каждый цилиндрический стержень 4, вплоть до значения в несколько сот мА.

Возможность пропускания таких токов через заявляемое устройство объясняется тем, что высокая плотность тока наблюдается только в очень малом объеме рабочей области 2, определяемом длиной спиновой релаксации (20-30 нм). При удалении от границы торца каждого из цилиндрических стержней 4 плотность тока уменьшается обратно пропорционально расстоянию от его центра. В каждом цилиндрическом стержне 4 наибольшая плотность тока в R/Δ раз меньше плотности тока, достигаемой в рабочей области слоя 2 по границе торца острия каждого из цилиндрических стержней 4.

Работоспособность устройства при таких токах обусловлена еще и тем, что каждый из металлических цилиндрических стержней 4 играет роль радиатора, отводящего тепло из рабочей области. Пластина 5 дополнительно отводит тепло от рабочего слоя 2.

Так как толщина Δ рабочего слоя 2 соизмерима с толщиной скин-слоя на рабочих частотах, то рабочая область слоя 2 представляет собой монолитный излучатель, от которого по всем направлениям в телесный угол 4π распространяется излучение. Электромагнитные волны из рабочей области, слоя 2, распространяются в открытое пространство за подложкой 3.