We present a spintronic terahertz emitter based on a ferrimagnetic gadolinium-iron alloy (GdxFe1−x) and platinum (Pt). We measure the magnetic-field-dependent terahertz emission of GdxFe1−x/Pt spintronic heterostructures in the entire composition range (0 ≤ x ≤ 1). Excellent agreement is found between the measured data and a theoretical model based on the ratio of in-plane and saturation magnetization, up to a Gd content of x = 0.4 for all applied fields. At a higher Gd content (x ≥ 0.6), the measured terahertz amplitudes and the model deviate, due to the increasing influence of Gd. The GdxFe1−x/Pt emitters share similar properties with TbxFe1−x/Pt emitters, such as a strong increase in terahertz emission for a small rare earth content. However, our systematic study demonstrates that the terahertz emission amplitude of GdxFe1−x/Pt is up to 17 times higher than that of TbxFe1−x/Pt, which is important for the use and further optimization of these spintronic emitters operating at room temperature.

1.
T.
Kampfrath
,
K.
Tanaka
, and
K. A.
Nelson
,
Nat. Photonics
7
,
680
(
2013
).
2.
I.
Amenabar
,
F.
Lopez
, and
A.
Mendikute
,
J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves
34
,
152
(
2013
).
3.
J.
Lloyd-Hughes
and
T. I.
Jeon
,
J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves
33
,
871
(
2012
).
4.
T. S.
Seifert
,
N. M.
Tran
,
O.
Gueckstock
,
S. M.
Rouzegar
,
L.
Nadvornik
,
S.
Jaiswal
,
G.
Jakob
,
V. V.
Temnov
,
M.
Münzenberg
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
J. Phys. D
51
,
364003
(
2018
).
5.
P.
Steinleitner
,
P.
Merkl
,
P.
Nagler
,
J.
Mornhinweg
,
C.
Schüller
,
T.
Korn
,
A.
Chernikov
, and
R.
Huber
,
Nano Lett.
17
,
1455
(
2017
).
6.
P.
Steinleitner
,
P.
Merkl
,
A.
Graf
,
P.
Nagler
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
J.
Zipfel
,
C.
Schüller
,
T.
Korn
,
A.
Chernikov
,
S.
Brem
,
M.
Selig
,
G.
Berghäuser
,
E.
Malic
, and
R.
Huber
,
Nano Lett.
18
,
1402
(
2018
).
7.
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
(
2016
).
8.
Y.
Wu
,
M.
Elyasi
,
X.
Qiu
,
M.
Chen
,
Y.
Liu
,
L.
Ke
, and
H.
Yang
,
Adv. Mater.
29
,
1603031
(
2017
).
9.
G.
Torosyan
,
S.
Keller
,
L.
Scheuer
,
R.
Beigang
, and
E. T.
Papaioannou
,
Sci. Rep.
8
,
1311
(
2018
).
10.
T. J.
Huisman
,
C.
Ciccarelli
,
A.
Tsukamoto
,
R. V.
Mikhaylovskiy
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
072402
(
2017
).
11.
D. M.
Nenno
,
L.
Scheuer
,
D.
Sokoluk
,
S.
Keller
,
G.
Torosyan
,
M.
Battiato
,
J.
Lösch
,
A.
Brodyanski
,
M.
Rahm
,
R. H.
Binder
,
H. C.
Schneider
,
R.
Beigang
, and
E. T.
Papaioannou
,
Sci. Reports
9
,
13348
(
2019
).
12.
T.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
M.
Sajadi
,
G.
Jakob
,
S.
Winnerl
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
252402
(
2017
).
13.
R.
Schneider
,
M.
Fix
,
R.
Heming
,
S.
Michaelis de Vasconcellos
,
M.
Albrecht
, and
R.
Bratschitsch
,
ACS Photonics
5
,
3936
(
2018
).
14.
D.
Yang
,
J.
Liang
,
C.
Zhou
,
L.
Sun
,
R.
Zheng
,
S.
Luo
,
Y.
Wu
, and
J.
Qi
,
Adv. Opt. Mater.
4
,
1944
(
2016
).
15.
T. S.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
J.
Barker
,
S. T.
Weber
,
I.
Razdolski
,
J.
Cramer
,
O.
Gueckstock
,
S. F.
Maehrlein
,
L.
Nadvornik
,
S.
Watanabe
,
C.
Ciccarelli
,
A.
Melnikov
,
G.
Jakob
,
M.
Münzenberg
,
S. T. B.
Goennenwein
,
G.
Woltersdorf
,
B.
Rethfeld
,
P. W.
Brouwer
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Nat. Commun.
9
,
2899
(
2018
).
16.
E. T.
Papaioannou
,
G.
Torosyan
,
S.
Keller
,
L.
Scheuer
,
M.
Battiato
,
V. K.
Mag-Usara
,
J.
L'huillier
,
M.
Tani
, and
R.
Beigang
,
IEEE Trans. Magn.
54
,
1
(
2018
).
17.
D. M.
Nenno
,
R.
Binder
, and
H. C.
Schneider
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
054083
(
2019
).
18.
E.
Beaurepaire
,
G. M.
Turner
,
S. M.
Harrel
,
M. C.
Beard
,
J.-Y.
Bigot
, and
C. A.
Schmuttenmaer
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
3465
(
2004
).
19.
T. J.
Huisman
,
R. V.
Mikhaylovskiy
,
A.
Tsukamoto
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Phys. Rev. B
92
,
104419
(
2015
).
20.
A.
Melnikov
,
I.
Razdolski
,
T. O.
Wehling
,
E. T.
Papaioannou
,
V.
Roddatis
,
P.
Fumagalli
,
O.
Aktsipetrov
,
A. I.
Lichtenstein
, and
U.
Bovensiepen
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
076601
(
2011
).
21.
M.
Battiato
,
K.
Carva
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
027203
(
2010
).
22.
D.
Rudolf
,
C.
La-O-Vorakiat
,
M.
Battiato
,
R.
Adam
,
J. M.
Shaw
,
E.
Turgut
,
P.
Maldonado
,
S.
Mathias
,
P.
Grychtol
,
H. T.
Nembach
,
T. J.
Silva
,
M.
Aeschlimann
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
,
C. M.
Schneider
, and
P. M.
Oppeneer
,
Nat. Commun.
3
,
1037
(
2012
).
23.
E.
Saitoh
,
M.
Ueda
,
H.
Miyajima
, and
G.
Tatara
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
182509
(
2006
).
24.
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
(
2013
).
25.
A. B.
Shick
,
W. E.
Pickett
, and
C. S.
Fadley
,
Phys. Rev. B
61
,
R9213
(
2000
).
26.
M.
Chen
,
R.
Mishra
,
Y.
Wu
,
K.
Lee
, and
H.
Yang
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1800430
(
2018
).
27.
L.
Oroszlány
,
A.
Deák
,
E.
Simon
,
S.
Khmelevskyi
, and
L.
Szunyogh
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
096402
(
2015
).
28.
X.
Tao
,
Q.
Liu
,
B.
Miao
,
R.
Yu
,
Z.
Feng
,
L.
Sun
,
B.
You
,
J.
Du
,
K.
Chen
,
S.
Zhang
,
L.
Zhang
,
Z.
Yuan
,
D.
Wu
, and
H.
Ding
,
Sci. Adv.
4
,
eaat1670
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.