We demonstrate that a spintronic terahertz (THz) emitter can be driven by a chirped-pulse beating scheme to generate narrowband THz pulses, with continuous tuning of the frequency and linewidth by simply adjusting the laser chirp and/or the time delay between chirped pulses. As supported by model calculations, temporal shaping of the drive laser pulses can be exploited to manipulate the ultrafast demagnetization dynamics in the thin-film emitter, modulating the spin-polarized current in the ferromagnetic layer to access multi-cycle THz emission. Using a regenerative amplifier laser system with 50 fs transform-limited pulses chirped to 6 ps, we demonstrate narrowband THz generation over a frequency range from 0.4 to 2.3 THz, in addition to linewidths down to 40 GHz using 12 ps chirped pulses. Our proof-of-concept results pave the way to future narrowband THz sources with subgigahertz linewidth and center frequencies continuously tunable from 0.1 to 30 THz. By combining with the advantageous properties of spintronic THz emitters, from straightforward implementation to flexible polarization control, these sources open up opportunities for narrowband applications over the entire THz spectral range.

1.
E.
Beaurepaire
,
J.-C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
2.
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
).
3.
C.
Bull
,
S. M.
Hewett
,
R.
Ji
,
C.-H.
Lin
,
T.
Thomson
,
D. M.
Graham
, and
P. W.
Nutter
,
APL Mater.
9
,
090701
(
2021
).
4.
R.
Rouzegar
,
A. L.
Chekhov
,
Y.
Behovits
,
B. R.
Serrano
,
M. A.
Syskaki
,
C. H.
Lambert
,
D.
Engel
,
U.
Martens
,
M.
Münzenberg
,
M.
Wolf
,
G.
Jakob
,
M.
Kläui
,
T. S.
Seifert
, and
T.
Kampfrath
,
Phys. Rev. Appl.
19
,
034018
(
2023
).
5.
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
).
6.
T.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
M.
Sajadi
,
G.
Jakob
,
S.
Winnerl
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
252402
(
2017
).
7.
M. T.
Hibberd
,
D. S.
Lake
,
N. A. B.
Johansson
,
T.
Thomson
,
S. P.
Jamison
, and
D. M.
Graham
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
031101
(
2019
).
8.
D.
Kong
,
X.
Wu
,
B.
Wang
,
T.
Nie
,
M.
Xiao
,
C.
Pandey
,
Y.
Gao
,
L.
Wen
,
W.
Zhao
,
C.
Ruan
,
J.
Miao
,
Y.
Li
, and
L.
Wang
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1900487
(
2019
).
9.
S. M.
Hewett
,
C.
Bull
,
A. M.
Shorrock
,
C.-H.
Lin
,
R.
Ji
,
M. T.
Hibberd
,
T.
Thomson
,
P. W.
Nutter
, and
D. M.
Graham
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
122401
(
2022
).
10.
A.
Dienst
,
E.
Casandruc
,
D.
Fausti
,
L.
Zhang
,
M.
Eckstein
,
M.
Hoffmann
,
V.
Khanna
,
N.
Dean
,
M.
Gensch
,
S.
Winnerl
,
W.
Seidel
,
S.
Pyon
,
T.
Takayama
,
H.
Takagi
, and
A.
Cavalleri
,
Nat. Mater.
12
,
535
(
2013
).
11.
K.
Uchida
,
H.
Hirori
,
T.
Aoki
,
C.
Wolpert
,
T.
Tamaya
,
K.
Tanaka
,
T.
Mochizuki
,
C.
Kim
,
M.
Yoshita
,
H.
Akiyama
,
L. N.
Pfeiffer
, and
K. W.
West
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
221106
(
2015
).
12.
K.
Brekhov
,
V.
Bilyk
,
A.
Ovchinnikov
,
O.
Chefonov
,
V.
Mukhortov
, and
E.
Mishina
,
Nanomaterials
13
,
1961
(
2023
).
13.
T.
Lin
,
R.
Xu
,
X.
Chen
,
Y.
Guan
,
M.
Yao
,
J.
Zhang
,
X.
Li
, and
H.
Zhu
, “
Sub-wavelength, phase-sensitive microscopy of third-order nonlinearity in terahertz frequencies
,”
Optica Open
(
2023
).
14.
M. T.
Hibberd
,
A. L.
Healy
,
D. S.
Lake
,
V.
Georgiadis
,
E. J. H.
Smith
,
O. J.
Finlay
,
T. H.
Pacey
,
J. K.
Jones
,
Y.
Saveliev
,
D. A.
Walsh
,
E. W.
Snedden
,
R. B.
Appleby
,
G.
Burt
,
D. M.
Graham
, and
S. P.
Jamison
,
Nat. Photonics
14
,
755
(
2020
).
15.
A. S.
Weling
and
D. H.
Auston
,
J. Opt. Soc. Am. B
13
,
2783
(
1996
).
16.
J.
Krause
,
M.
Wagner
,
S.
Winnerl
,
M.
Helm
, and
D.
Stehr
,
Opt. Express
19
,
19114
(
2011
).
17.
J.
Adamonis
,
N.
Rusteika
,
R.
Danilevičius
, and
A.
Krotkus
,
Opt. Commun.
293
,
61
(
2013
).
18.
J.
Lu
,
H. Y.
Hwang
,
X.
Li
,
S.-H.
Lee
,
O.-P.
Kwon
, and
K. A.
Nelson
,
Opt. Express
23
,
22723
(
2015
).
19.
A. V.
Ovchinnikov
,
O. V.
Chefonov
,
M. B.
Agranat
,
V. E.
Fortov
,
M.
Jazbinsek
, and
C. P.
Hauri
,
Opt. Express
28
,
33921
(
2020
).
20.
C.
Vicario
,
A.
Trisorio
,
S.
Allenspach
,
C.
Rüegg
, and
F.
Giorgianni
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
101101
(
2020
).
21.
J. R.
Danielson
,
A. D.
Jameson
,
J. L.
Tomaino
,
H.
Hui
,
J. D.
Wetzel
,
Y.-S.
Lee
, and
K. L.
Vodopyanov
,
J. Appl. Phys.
104
,
033111
(
2008
).
22.
Z.
Chen
,
X.
Zhou
,
C. A.
Werley
, and
K. A.
Nelson
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
071102
(
2011
).
23.
X.
Zhou
,
Y.
Lin
,
Y.
Chan
,
F.
Deng
, and
J.
Zhang
,
Opt. Lett.
48
,
2881
(
2023
).
24.
A.
Sell
,
A.
Leitenstorfer
, and
R.
Huber
,
Opt. Lett.
33
,
2767
(
2008
).
25.
B.
Liu
,
H.
Bromberger
,
A.
Cartella
,
T.
Gebert
,
M.
Först
, and
A.
Cavalleri
,
Opt. Lett.
42
,
129
131
(
2017
).
26.
K. L.
Vodopyanov
,
M. M.
Fejer
,
X.
Yu
,
J. S.
Harris
,
Y.-S.
Lee
,
W. C.
Hurlbut
,
V. G.
Kozlov
,
D.
Bliss
, and
C.
Lynch
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
141119
(
2006
).
27.
I.
Tomita
,
H.
Suzuki
,
H.
Ito
,
H.
Takenouchi
,
K.
Ajito
,
R.
Rungsawang
, and
Y.
Ueno
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
071118
(
2006
).
28.
C.
Zhang
,
Y.
Avetisyan
,
A.
Glosser
,
I.
Kawayama
,
H.
Murakami
, and
M.
Tonouchi
,
Opt. Express
20
,
8784
(
2012
).
29.
F.
Lemery
,
T.
Vinatier
,
F.
Mayet
,
R.
Aßmann
,
E.
Baynard
,
J.
Demailly
,
U.
Dorda
,
B.
Lucas
,
A.-K.
Pandey
, and
M.
Pittman
,
Commun. Phys.
3
,
150
(
2020
).
30.
C. D. W.
Mosley
,
D. S.
Lake
,
D. M.
Graham
,
S. P.
Jamison
,
R. B.
Appleby
,
G.
Burt
, and
M. T.
Hibberd
,
Opt. Express
31
,
4041
(
2023
).
31.
W.
Tian
,
G.
Cirmi
,
H. T.
Olgun
,
P.
Mutter
,
C.
Canalias
,
A.
Zukauskas
,
L.
Wang
,
E.
Kueny
,
F.
Ahr
,
A.-L.
Calendron
,
F.
Reichert
,
K.
Hasse
,
Y.
Hua
,
D. N.
Schimpf
,
H.
Çankaya
,
M.
Pergament
,
M.
Hemmer
,
N.
Matlis
,
V.
Pasiskevicius
,
F.
Laurell
, and
F. X.
Kärtner
,
Opt. Lett.
46
,
741
(
2021
).
32.
T. J.
Edwards
,
D.
Walsh
,
M. B.
Spurr
,
C. F.
Rae
,
M. H.
Dunn
, and
P. G.
Browne
,
Opt. Express
14
,
1582
(
2006
).
33.
D. J. M.
Stothard
,
T. J.
Edwards
,
D.
Walsh
,
C. L.
Thomson
,
C. F.
Rae
,
M. H.
Dunn
, and
P. G.
Browne
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
141105
(
2008
).
34.
D.
Walsh
,
D. J. M.
Stothard
,
T. J.
Edwards
,
P. G.
Browne
,
C. F.
Rae
, and
M. H.
Dunn
,
J. Opt. Soc. Am. B
26
,
1196
(
2009
).
35.
D.
Jang
and
K.-Y.
Kim
,
Opt. Express
28
,
21220
(
2020
).
36.
B.
Zhang
,
X.
Wu
,
X.
Wang
,
S.
Li
,
J.
Ma
,
G.
Liao
,
Y.
Li
, and
J.
Zhang
,
Opt. Lett.
47
,
2678
(
2022
).
37.
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
).
38.
S.
Zhuang
,
P. B.
Meisenheimer
,
J.
Heron
, and
J.-M.
Hu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
48997
(
2021
).
39.
J. E.
Nkeck
,
L.-P.
Béliveau
,
X.
Ropagnol
,
D.
Deslandes
,
D.
Morris
, and
F.
Blanchard
,
APL Photonics
7
,
126105
(
2022
).
40.
P.
Kolejak
,
G.
Lezier
,
S.
Kassi
,
L.
Dhevarhidjian
,
M.-A.
Martin
,
O.
Pirali
,
G.
Ducournau
,
J.-F.
Lampin
,
N.
Tiercelin
, and
M.
Vanwolleghem
, in
47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
, Delft, The Netherlands,
2022
.
41.
M. J.
Cliffe
,
D. M.
Graham
, and
S. P.
Jamison
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
221102
(
2016
).
42.
B.
Koopmans
,
G.
Malinowski
,
F.
Dalla Longa
,
D.
Steiauf
,
M.
Fähnle
,
T.
Roth
,
M.
Cinchetti
, and
M.
Aeschlimann
,
Nat. Mater.
9
,
259
(
2010
).
43.
K.
Kuiper
,
T.
Roth
,
A.
Schellekens
,
O.
Schmitt
,
B.
Koopmans
,
M.
Cinchetti
, and
M.
Aeschlimann
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
202402
(
2014
).
44.
M.
Beens
,
R. A.
Duine
, and
B.
Koopmans
,
Phys. Rev. B
105
,
144420
(
2022
).
45.
G.-M.
Choi
,
B.-C.
Min
,
K.-J.
Lee
, and
D. G.
Cahill
,
Nat. Commun.
5
,
4334
(
2014
).
46.
J.
Kimling
and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. B
95
,
014402
(
2017
).
47.
R.
Rouzegar
,
L.
Brandt
,
L.
Nádvorník
,
D. A.
Reiss
,
A. L.
Chekhov
,
O.
Gueckstock
,
C.
In
,
M.
Wolf
,
T. S.
Seifert
,
P. W.
Brouwer
,
G.
Woltersdorf
, and
T.
Kampfrath
,
Phys. Rev. B
106
,
144427
(
2022
).
48.
S. W.
Jolly
,
N. H.
Matlis
,
F.
Ahr
,
V.
Leroux
,
T.
Eichner
,
A.-L.
Calendron
,
H.
Ishizuki
,
T.
Taira
,
F. X.
Kärtner
, and
A. R.
Maier
,
Nat. Commun.
10
,
2591
(
2019
).
49.
S.
Kamada
,
T.
Yoshida
, and
T.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
101102
(
2014
).
50.
T.
Yoshida
,
S.
Kamada
, and
T.
Aoki
,
Opt. Express
22
,
23679
(
2014
).
51.
C. P. J.
Barty
,
T.
Guo
,
C.
Le Blanc
,
F.
Raksi
,
C.
Rose-Petruck
,
J.
Squier
,
K. R.
Wilson
,
V. V.
Yakovlev
, and
K.
Yamakawa
,
Opt. Lett.
21
,
668
(
1996
).
52.
R.
Ji
,
M. T.
Hibberd
,
C.-H.
Lin
,
D. A.
Walsh
,
T.
Thomson
,
P. W.
Nutter
, and
D. M.
Graham
(
2023
). “
Tunable multi-cycle terahertz pulse generation from a spintronic emitter
,”
Zenodo
.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.