拓扑天线：基于拓扑绝缘体自旋注入的非经典波束控制微天线
介观与纳米尺度物理
2025-11-11 v2 信号处理
摘要
天线是通过电磁波长距离无线传输信息的典型手段。传统天线存在两个阻碍其小型化的缺点：（1）其辐射效率骤降；（2）当小型化至辐射波长的一小部分时，它们呈各向同性辐射。在此，我们报告了一类新型非经典天线，它通过采用非传统原理并利用拓扑绝缘体克服了这些限制。将频率为1-10 GHz的交变电荷电流注入三维拓扑绝缘体（3D-TI）薄膜中，会向沉积在3D-TI表面的钴纳米磁体周期阵列注入具有交变自旋极化的自旋电流。这在纳米磁体中产生自旋波，进而向空间辐射电磁波，从而实现天线功能。电磁波的频率与电流频率相同。该天线的尺寸仅为自由空间波长的0.6-1.8%，但其辐射效率比传统天线的理论极限高出数个数量级。此外，它呈各向异性辐射（尽管是“点源”），并且可以通过改变注入的交变电荷电流的方向来改变各向异性辐射方向图，由于3D-TI中的自旋动量锁定，这会改变纳米磁体内的自旋波模式。这使得无需使用相控阵即可实现波束控制。我们通过利用量子材料（即3D-TI）的量子力学属性，克服了经典天线的几个局限性。
引用
@article{arxiv.2408.16854,
title = {Topological Antenna: A Non-Classical Beam-Steering Micro-Antenna Based on Spin Injection from a Topological Insulator},
author = {Raisa Fabiha and Patrick J. Taylor and Supriyo Bandyopadhyay},
journal= {arXiv preprint arXiv:2408.16854},
year = {2025}
}