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.

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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.