We explore the capabilities of metallic spintronic thin-film stacks as a source of intense and broadband terahertz electromagnetic fields. For this purpose, we excite a W/CoFeB/Pt trilayer (thickness of 5.6 nm) on a large-area glass substrate (diameter of 7.5 cm) by a femtosecond laser pulse (energy 5.5 mJ, duration 40 fs, and wavelength 800 nm). After focusing, the emitted terahertz pulse is measured to have a duration of 230 fs, a peak field of 300 kV cm−1, and an energy of 5 nJ. In particular, the waveform exhibits a gapless spectrum extending from 1 to 10 THz at 10% of its amplitude maximum, thereby facilitating nonlinear control over matter in this difficult-to-reach frequency range on the sub-picosecond time scale.
References
1.
M. C.
Hoffmann
, Terahertz Spectroscopy and Imaging
(Springer Berlin
, Heidelberg
, 2012
), pp. 355
–388
.2.
T.
Kampfrath
, K.
Tanaka
, and K. A.
Nelson
, Nat. Photonics
7
, 680
–690
(2013
).3.
H. Y.
Hwang
, S.
Fleischer
, N. C.
Brandt
, B. G.
Perkins
, Jr., M.
Liu
, K.
Fan
, A.
Sternbach
, X.
Zhang
, R. D.
Averitt
, and K. A.
Nelson
, J. Mod. Opt.
62
, 1447
–1479
(2015
).4.
T.
Elsaesser
, K.
Reimann
, and M.
Woerner
, J. Chem. Phys.
142
, 212301
(2015
).5.
D.
Nicoletti
and A.
Cavalleri
, Adv. Opt. Photonics
8
, 401
–464
(2016
).6.
S. D.
Ganichev
and W.
Prettl
, Intense Terahertz Excitation of Semiconductors
(Oxford University Press
, Oxford
, 2006
), pp. 1
–380
.7.
T. L.
Cocker
, D.
Peller
, P.
Yu
, J.
Repp
, and R.
Huber
, Nature
539
, 263
–267
(2016
).8.
B.
Green
, S.
Kovalev
, V.
Asgekar
, G.
Geloni
, U.
Lehnert
, T.
Golz
, M.
Kuntzsch
, C.
Bauer
, J.
Hauser
, J.
Voigtlaender
, B.
Wustmann
, I.
Koesterke
, M.
Schwarz
, M.
Freitag
, A.
Arnold
, J.
Teichert
, M.
Justus
, W.
Seidel
, C.
Ilgner
, N.
Awari
, D.
Nicoletti
, S.
Kaiser
, Y.
Laplace
, S.
Rajasekaran
, L.
Zhang
, S.
Winnerl
, H.
Schneider
, G.
Schay
, I.
Lorincz
, A. A.
Rauscher
, I.
Radu
, S.
Mährlein
, T. H.
Kim
, J. S.
Lee
, T.
Kampfrath
, S.
Wall
, J.
Heberle
, A.
Malnasi-Csizmadia
, A.
Steiger
, A. S.
Müller
, M.
Helm
, U.
Schramm
, T.
Cowan
, P.
Michel
, A.
Cavalleri
, A. S.
Fisher
, N.
Stojanovic
, and M.
Gensch
, Sci. Rep.
6
, 22256
(2016
).9.
X. C.
Zhang
, A.
Shkurinov
, and Y.
Zhang
, Nat. Photonics
11
, 16
–18
(2017
).10.
C. W.
Berry
, N.
Wang
, M. R.
Hashemi
, M.
Unlu
, and M.
Jarrahi
, Nat. Commun.
4
, 1622
(2013
).11.
J. A.
Fülöp
, G.
Polónyi
, B.
Monoszlai
, G.
Andriukaitis
, T.
Balciunas
, A.
Pugzlys
, G.
Arthur
, A.
Baltuska
, and J.
Hebling
, Optica
3
, 1075
–1078
(2016
).12.
H.
Hirori
, A.
Doi
, F.
Blanchard
, and K.
Tanaka
, Appl. Phys. Lett.
98
, 091106
(2011
).13.
C. P.
Hauri
, C.
Ruchert
, C.
Vicario
, and F.
Ardana
, Appl. Phys. Lett.
99
, 161116
(2011
).14.
C.
Vicario
, M.
Jazbinsek
, A. V.
Ovchinnikov
, O. V.
Chefonov
, S. I.
Ashitkov
, M. B.
Agranat
, and C. P.
Hauri
, Opt. Express
23
, 4573
–4580
(2015
).15.
A.
Sell
, A.
Leitenstorfer
, and R.
Huber
, Opt. Lett.
33
, 2767
–2769
(2008
).16.
B.
Liu
, H.
Bromberger
, A.
Cartella
, T.
Gebert
, M.
Först
, and A.
Cavalleri
, Opt. Lett.
42
, 129
–131
(2017
).17.
K.
Kim
, J.
Glownia
, A. J.
Taylor
, and G.
Rodriguez
, IEEE J. Quantum Electron.
48
, 797
–805
(2012
).18.
T. I.
Oh
, Y. J.
Yoo
, Y. S.
You
, and K. Y.
Kim
, Appl. Phys. Lett.
105
, 041103
(2014
).19.
S. S.
Dhillon
, M. S.
Vitiello
, E. H.
Linfield
, A. G.
Davies
, M. C.
Hoffmann
, J.
Booske
, C.
Paoloni
, M.
Gensch
, P.
Weightman
, G. P.
Williams
, E.
Castro-Camus
, D. R. S.
Cumming
, F.
Simoens
, I.
Escorcia-Carranza
, J.
Grant
, S.
Lucyszyn
, M.
Kuwata-Gonokami
, K.
Konishi
, M.
Koch
, C. A.
Schmuttenmaer
, T. L.
Cocker
, R.
Huber
, A. G.
Markelz
, Z. D.
Taylor
, V. P.
Wallace
, J. A.
Zeitler
, J.
Sibik
, T. M.
Korter
, B.
Ellison
, S.
Rea
, P.
Goldsmith
, K. B.
Cooper
, R.
Appleby
, D.
Pardo
, P. G.
Huggard
, V.
Krozer
, H.
Shams
, M.
Fice
, C.
Renaud
, A.
Seeds
, A.
Stöhr
, M.
Naftaly
, N.
Ridler
, R.
Clarke
, J. E.
Cunningham
, and M. B.
Johnston
, J. Phys. D: Appl. Phys.
50
, 043001
(2017
).20.
G. K. P.
Ramanandan
, G.
Ramakrishnan
, N.
Kumar
, A. J. L.
Adam
, and P. C. M.
Planken
, J. Phys. D: Appl. Phys.
47
, 374003
(2014
).21.
D. K.
Polyushkin
, I.
Márton
, P.
Rácz
, P.
Dombi
, E.
Hendry
, and W. L.
Barnes
, Phys. Rev. B
89
, 125426
(2014
).22.
T.
Kampfrath
, M.
Battiato
, P.
Maldonado
, G.
Eilers
, J.
Nötzold
, S.
Mährlein
, V.
Zbarsky
, F.
Freimuth
, Y.
Mokrousov
, S.
Blügel
, M.
Wolf
, I.
Radu
, P. M.
Oppeneer
, and M.
Münzenberg
, Nat. Nanotechnol.
8
, 256
–260
(2013
).23.
T. J.
Huisman
and T.
Rasing
, J. Phys. Soc. Jpn.
86
, 011009
(2016
).24.
Y.
Wu
, M.
Elyasi
, X.
Qiu
, M.
Chen
, Y.
Liu
, L.
Ke
, and H.
Yang
, Adv. Mater.
29
, 1603031
(2017
).25.
D.
Yang
, J.
Liang
, C.
Zhou
, L.
Sun
, R.
Zheng
, S.
Luo
, Y.
Wu
, and J.
Qi
, Adv. Opt. Mat.
4
, 1944
–1949
(2016
).26.
N.
Awari
, S.
Kovalev
, C.
Fowley
, K.
Rode
, R. A.
Gallardo
, Y.-C.
Lau
, D.
Betto
, N.
Thiyagarajah
, B.
Green
, O.
Yildirim
, J.
Lindner
, J.
Fassbender
, J. M. D.
Coey
, A. M.
Deac
, and M.
Gensch
, Appl. Phys. Lett.
109
, 032403
(2016
).27.
T.
Seifert
, S.
Jaiswal
, U.
Martens
, J.
Hannegan
, L.
Braun
, P.
Maldonado
, F.
Freimuth
, A.
Kronenberg
, J.
Henrizi
, I.
Radu
, E.
Beaurepaire
, Y.
Mokrousov
, P. M.
Oppeneer
, M.
Jourdan
, G.
Jakob
, D.
Turchinovich
, L. M.
Hayden
, M.
Wolf
, M.
Münzenberg
, M.
Kläui
, and T.
Kampfrath
, Nat. Photonics
10
, 483
–488
(2016
).28.
K.
Uchida
, S.
Takahashi
, K.
Harii
, J.
Ieda
, W.
Koshibae
, K.
Ando
, S.
Maekawa
, and E.
Saitoh
, Nature
455
, 778
–781
(2008
).29.
J.
Wunderlich
, B.
Kaestner
, J.
Sinova
, and T.
Jungwirth
, Phys. Rev. Lett.
94
, 047204
(2005
).30.
E. E.
Russell
and E. E.
Bell
, J. Opt. Soc. Am.
57
, 341
–348
(1967
).31.
W. G.
Spitzer
and D. A.
Kleinman
, Phys. Rev.
121
, 1324
(1961
).32.
J.
Dai
, J.
Zhang
, W.
Zhang
, and D.
Grischkowsky
, J. Opt. Soc. Am. B
21
, 1379
–1386
(2004
).33.
See http://www.infraspecs.de/html/ir_polarizer_p02.html for the polarizer transmission function.
34.
A.
Leitenstorfer
, S.
Hunsche
, J.
Shah
, M. C.
Nuss
, and W. H.
Knox
, Appl. Phys. Lett.
74
, 1516
(1999
).35.
T.
Kampfrath
, J.
Nötzold
, and M.
Wolf
, Appl. Phys. Lett.
90
, 231113
(2007
).36.
M. C.
Hoffmann
, N. C.
Brandt
, H. Y.
Hwang
, K. L.
Yeh
, and K. A.
Nelson
, Appl. Phys. Lett.
95
, 231105
(2009
).37.
M.
Cornet
, J.
Degert
, E.
Abraham
, and E.
Freysz
, J. Opt. Soc. Am. B
31
, 1648
–1652
(2014
).38.
M.
Sajadi
, M.
Wolf
, and T.
Kampfrath
, Opt. Express
23
, 28985
–28992
(2015
).39.
A.
Schneider
, Opt. Lett.
34
, 1054
–1056
(2009
).40.
K.
Demasius
, T.
Phung
, W.
Zhang
, B. P.
Hughes
, S.
Yang
, A.
Kellock
, W.
Han
, A.
Pushp
, and S. S. P.
Parkin
, Nat. Commun.
7
, 10644
(2016
).41.
M.
Sajadi
, M.
Wolf
, and T.
Kampfrath
, Appl. Phys. Lett.
104
, 091118
(2014
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
