通过反铁磁薄膜中的反射自旋分裂效应以及嵌入其中的向列型液晶阵列实现的高灵敏度气体传感器

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：High-sensitivity gas sensor by reflective spin splitting from antiferromagnetic film with inserted nematic liquid-crystal arrays

高灵敏度气体传感器开发：基于NLC/AF超双曲介质的自旋分裂调控

　　随着全球环境污染的扩散，开发高灵敏度的气体传感器以监测人类健康变得尤为重要。本文提出了一种新型的磁超材料（MM）结构，其中包含周期性排列的液晶（NLC）薄膜。这种结构的特点在于，通过静态电场可以精确控制NLC分子在入射平面内的取向，使其平行或垂直于表面排列。研究进一步探讨了这种结构中平面内自旋分裂的双调控机制，利用磁性可调的超材料特性以及电场对NLC分子取向的控制，实现了对自旋分裂的显著不对称性。此外，通过调节NLC与AF之间的填充比例，可以实现从超材料相到椭圆相的转换。这种结构不仅能够提供对自旋分裂的深度分析，还为构建高灵敏度的气体传感器提供了新的可能性。

在实验中，该结构被用于检测折射率从1.00027281到1.0036的变化，其灵敏度达到了2.76×10^6和6.88×10^7的水平，分别适用于二氧化硫（SO?）和二氧化碳（CO?）。这种高灵敏度的检测能力使得该传感器在太赫兹（THz）波段的应用具有重要意义。通过调整NLC的取向和AF的磁性特性，传感器能够实现对目标气体的精确识别和测量，从而在环境监测和公共健康领域发挥更大的作用。

自旋分裂现象是指在反射光束中，左旋和右旋圆偏振（LCP和RCP）光束经历不同的空间位移，这种现象可以分为由自旋-轨道相互作用引起的自旋依赖横向位移（即自旋霍尔效应）以及由入射平面内的Goos-H?nchen（GH）位移所体现的不对称性。近年来，这种空间位移在折射率和温度传感等应用中受到了广泛关注。随着量子弱测量方法的发展，自旋分裂现象的研究和应用不断拓展，例如在空气-玻璃界面中，Airy光束的自旋依赖横向和入射平面内的位移可以通过改变光束参数进行调控。此外，研究发现，在反铁磁（AF）表面上，自旋分裂距离可以达到入射光束宽度的2.2倍，从而实现对相反自旋的光子进行完全分离。

反铁磁材料（AF）是一种简单的绝缘体，其单位晶胞包含两个交错排列的子晶格，每个子晶格的原子磁矩大小相等但方向相反。AF材料在低于Néel温度时表现出磁序，但不具有宏观的净磁化。值得注意的是，AF材料的响应频率通常落在太赫兹或远红外频率范围内，且在外部磁场作用下表现出磁旋效应。在余弦带（RB）中，AF材料由于磁渗透率元素的符号相反，表现出超材料特性，使得其可以通过外部磁场进行调控。与极性晶体（如hBN和α-MoO?）不同，AF材料的超材料特性是由其磁渗透率张量决定的，而非介电常数。研究表明，在两个相同AF材料的界面中，当它们表现出各向异性时，表面磁振子极化子（SPMs）将存在。在AF-空气界面中，研究者通过衰减全反射光谱验证了一种Dyakonov表面磁振子和两种Dyakonov磁振子极化子的存在。此外，当光束入射到AF表面时，外部磁场的施加会增强自旋分裂现象，从而实现更高的空间位移。近年来，关于超材料极化子和表面极化子的研究受到了极大关注，特别是在低对称性的超材料中。

液晶（NLC）在太赫兹波段表现出可调的非线性光学和电光特性，这些特性可以通过静态电场进行调控。基于NLC的可调超材料在近年来得到了广泛研究，其具有高调制深度和低插入损耗的特点。例如，研究者利用NLC掺杂的核壳结构球体设计了一种新型的超材料，其折射率具有可调性。纳米球分散液晶（NDLC）超材料在近红外波段表现出相反的普通和异常介电常数，这些特性可以通过外部电场进行调控。近年来，铁电液晶的研究进一步推动了液晶材料在可调光电器件中的应用。NLC因其电场调控性、显著的光学和介电各向异性，以及对环境压力、温度和外部条件的高灵敏度，成为传感器应用中的有力候选材料。例如，基于一维液晶偏振光栅的研究者提出了一种新型结构，以实现与偏振无关的折射率传感器，从而拓展了传感器的应用范围。通过减少液晶背景超材料，研究者实现了对红外和可见光的实时调控。例如，Andrei Komar等人提出了一种由硅纳米盘嵌入液晶组成的全介质可调光学超材料。然而，截至目前，尚未有关于NLC/AF超材料系统的专门实验研究。

本文提出了一种新型的NLC/AF磁超材料结构，其中NLC分子以周期性柱状排列嵌入AF薄膜中。该结构的平面内自旋分裂现象被深入研究。NLC/AF超材料的主要优势在于AF的可调超材料特性和NLC分子的可调取向，这使得其能够实现对平面内自旋分裂的双重控制。研究预测，通过调节NLC与AF之间的填充比例，可以实现从超材料相到椭圆相的转换。基于这种可调的平面内自旋分裂特性，研究者构建了一种能够检测折射率从1.00027281到1.0036变化的气体传感器，其表现出更高的灵敏度和更大的空间位移。本文的结构分析和实验研究为高灵敏度气体传感器的发展提供了新的思路。

该研究的具体结构和理论推导表明，NLC/AF超材料在太赫兹波段具有显著的潜力。在图1(a)中，研究者展示了AF薄膜中周期性排列的NLC结构。一个p偏振的入射光束以入射角θ入射到x-y平面上，其中y轴垂直于AF薄膜表面。AF的易轴和外部磁场均沿圆柱轴或垂直于AF薄膜表面。L和R分别代表相邻圆柱之间的距离和圆柱的半径。AF薄膜的厚度为d，这些参数共同决定了超材料的光学响应特性。研究进一步探讨了在不同填充比例下，NLC/AF超材料的磁超材料特性如何变化，并分析了其对自旋分裂的影响。在数值结果和讨论部分，研究者以典型的AF薄膜FeF?为例，展示了NLC柱嵌入AF薄膜中的情况。该结构的物理参数包括γ=1.97×10^10 rad/s/kG、c=3×10^10 cm/s、4πM?=7.04 kG（ω?=0.736 cm?1）、H?=540.0 kG（ω?=56.44 cm?1）、H?=200.0 kG（ω?=20.9 cm?1）和τ=0.05 cm?1。在外部磁场为H?=5.0 kG（ω?=0.523 cm?1）的情况下，该结构的两个AF共振频率分别为ω?=52.36 cm?1和ω?=53.37 cm?1。因此，入射波长应落在185 μm和192 μm之间。通过调整NLC的取向和AF的磁性特性，该结构能够实现对目标气体的高灵敏度检测。

研究还探讨了NLC/AF超材料在不同填充比例下的性能变化。当填充比例处于某一范围时，超材料表现出超材料特性，而在另一范围则表现出椭圆特性。这种特性变化使得传感器能够根据不同的需求进行调整，从而实现对不同气体的检测。研究者通过实验验证了在不同填充比例下，自旋分裂的不对称性如何变化，并分析了其对传感器性能的影响。通过优化NLC和AF的填充比例，研究者能够实现更高的灵敏度和更精确的检测能力。此外，研究还探讨了NLC/AF超材料在不同入射角度下的性能表现，发现其在极小入射角下能够实现较大的空间位移，从而提高检测精度。

研究进一步验证了NLC/AF超材料在实际应用中的潜力。通过调节NLC的取向和AF的磁性特性，研究者能够实现对气体折射率的精确测量。实验结果显示，该传感器在检测二氧化硫和二氧化碳时分别表现出2.76×10^6和6.88×10^7的灵敏度。这种高灵敏度使得该传感器能够用于环境监测和公共健康领域，提供更精确的气体检测能力。此外，研究还探讨了NLC/AF超材料在不同频率下的性能表现，发现其在太赫兹波段具有独特的光学响应特性，能够实现对气体折射率的高精度检测。

研究还强调了NLC/AF超材料在环境监测中的重要性。随着环境问题的日益严重，开发高灵敏度、高精度的气体传感器成为迫切需求。NLC/AF超材料的结构设计使得其能够实现对气体折射率的精确检测，从而为环境监测提供新的解决方案。此外，该结构的双调控能力使其能够适应不同的检测需求，提高传感器的灵活性和适用性。研究者通过实验验证了该结构在不同参数下的性能表现，并分析了其在实际应用中的可行性。这些研究成果为未来高灵敏度气体传感器的发展提供了新的思路和方向。

在实际应用中，NLC/AF超材料的结构设计和性能优化对于提高气体检测能力具有重要意义。通过调节NLC的取向和AF的磁性特性，研究者能够实现对气体折射率的精确测量，从而为环境监测和公共健康领域提供可靠的检测手段。此外，该结构的双调控能力使其能够适应不同的检测环境和需求，提高传感器的适用性和灵活性。研究者通过实验验证了该结构在不同填充比例和外部电场下的性能表现，并分析了其对传感器灵敏度的影响。这些研究结果表明，NLC/AF超材料在气体检测中的应用具有广阔前景。

该研究的结论表明，NLC/AF超材料的平面内自旋分裂现象可以通过电场或磁场进行调控，从而实现对气体折射率的精确检测。在电场控制的x和y方向的NLC/AF超材料中，LCP和RCP组件的空间位移表现出显著的不对称性。此外，通过调节超材料相和椭圆相之间的转换，可以进一步影响自旋分裂的不对称性。研究发现，这种不对称性使得NLC/AF超材料在气体检测中表现出更高的灵敏度和更精确的检测能力。这些研究成果为未来高灵敏度气体传感器的发展提供了新的思路和方向。

该研究还强调了NLC/AF超材料在环境监测中的重要性。随着环境问题的日益严重，开发高灵敏度、高精度的气体传感器成为迫切需求。NLC/AF超材料的结构设计使得其能够实现对气体折射率的精确测量，从而为环境监测和公共健康领域提供可靠的检测手段。此外，该结构的双调控能力使其能够适应不同的检测环境和需求，提高传感器的适用性和灵活性。研究者通过实验验证了该结构在不同填充比例和外部电场下的性能表现，并分析了其对传感器灵敏度的影响。这些研究结果表明，NLC/AF超材料在气体检测中的应用具有广阔前景。

综上所述，NLC/AF磁超材料结构的提出为高灵敏度气体传感器的发展提供了新的方向。通过调节NLC的取向和AF的磁性特性，研究者能够实现对气体折射率的精确检测，从而在太赫兹波段实现高效的气体传感能力。该结构的双调控机制和可调超材料特性使其在环境监测和公共健康领域具有重要的应用价值。未来的研究将进一步优化该结构的性能，探索其在更广泛范围内的应用潜力，为实现高精度、高灵敏度的气体传感器提供坚实的理论基础和技术支持。