Nonlinear spin-dependent transport in non-magnetic structures under THz excitation

Abstract

In many modern applications, it is important to be able to detect not only the power, but also the polarisation of the terahertz (THz) signal. This is why THz frequency detectors that are sensitive to both polarization and spin can be used to characterise recently developed spintronic THz emitters. Non-magnetic van der Waals semiconductors with strong spin-orbit coupling enable manipulation of the spin subsystem via nonlinear transport effects. As demonstrated in these materials, the high electron velocity suggests effective coupling to radiation. A strong spin-orbit coupling, together with an artificially lowered symmetry and local electric fields, renders the photoresponse not only polarization-dependent, but also spin-dependent. The investigations of nonlinear transport in the context of the project provide a highly sensitive tool with which to investigate the fundamental properties of 2D materials. They also propose new material bases for polarisation- and spin-sensitive terahertz detectors. Key results include: (i) The observation of a giant magnetoratchet effect in a graphene-based metamaterial, featuring strong magneto-oscillations and resonant responses linked to cyclotron and spin resonances, supported by a comprehensive theoretical explanation; (ii) the demonstration of polarization- and helicity-dependent nonlinear terahertz-induced currents tunable by gate voltage in two-dimensional tellurene at room temperature, originating from Berry curvature dipole and side-jump mechanisms; and (iii) the first observation of nonlinear Bernstein modes in graphene, enabled by near-field enhancement, revealing strong polarization-angle dependence and establishing graphene as a promising platform for nonlinear magnetoplasmonics and advanced terahertz optoelectronic applications. In vielen modernen Anwendungen ist es wichtig, nicht nur die Leistung, sondern auch die Polarisation des Terahertz (THz)-Signals erfassen zu können. Aus diesem Grund können THz-Frequenzdetektoren, die sowohl für Polarisation als auch für Spin empfindlich sind, zur Charakterisierung neu entwickelter spintronischer THz-Emitter verwendet werden. Nichtmagnetische Van-der-Waals-Halbleiter mit starker Spin-Bahn-Kopplung ermöglichen die Manipulation des Spin-Subsystems über nichtlineare Transporteffekte. Wie es für diese Materialien gezeigt wurde, deutet die hohe Elektronengeschwindigkeit auf eine effektive Kopplung an die Strahlung hin. Eine starke Spin-Bahn-Kopplung in Verbindung mit einer künstlich verringerten Symmetrie und lokalen elektrischen Feldern macht die Lichtempfindlichkeit nicht nur polarisationsabhängig, sondern auch spinabhängig. Die Projektuntersuchungen zum nichtlinearen Transport haben zu einer hochempfindlichen Methodik zur Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften von 2D-Materialien geführt. Die Untersuchungen zum nichtlinearen Transport im Rahmen des Projekts liefern ein hochempfindliches Instrument zur Erforschung der grundlegenden Eigenschaften von 2D-Materialien. Außerdem werden neue Materialgrundlagen für polarisations- und spinsensitive Terahertz-Detektoren vorgeschlagen. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören: (i) Die Beobachtung eines riesigen magnetischen Ratschet-Effekts in einem Metamaterial auf Graphenbasis, das sich durch starke Magneto-Oszillationen und Resonanzantworten auszeichnet, die mit Zyklotron- und Spinresonanzen verbunden sind, unterstützt durch eine umfassende theoretische Erklärung; (ii) die Demonstration von polarisations- und helizitätsabhängigen nichtlinearen terahertz-induzierten Strömen, die durch Gate-Spannung in zweidimensionalem Telluren bei Raumtemperatur einstellbar sind und ihren Ursprung in Berry-Krümmungsdipolen und Side-Jump-Mechanismen haben; und (iii) die erste Beobachtung nichtlinearer Bernstein-Moden in Graphen, ermöglicht durch Nahfeldverstärkung, die eine starke Polarisationswinkelabhängigkeit offenbart und Graphen als vielversprechende Plattform für nichtlineare Magnetoplasmonik und fortschrittliche terahertz-optoelektronische Anwendungen etabliert.