[論文レビュー] Acoustic spin pumping as the origin of the long-range spin Seebeck effect

Ken‐ichi Uchida, H. Adachi+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Magnetic properties of thin films参考文献 22被引用数 148

ひとこと要約

本論文は、磁性金属ヘテロ構造における長距離スピン・ゼーベック効果の原因が音響フォノンであることを特定し、音響波の注入を通じたスピン-フォノン結合によってスピン電流が生成されることを示した。主な発見は、フォノン媒介スピンポンプによってPt層における非局所的スピン電圧信号が長距離にわたり持続されることであり、音響スピントロニクスの基盤を築いた。

ABSTRACT

The spin Seebeck effect (SSE) is known as the generation of 'spin voltage' in a magnet as a result of a temperature gradient. Spin voltage stands for the potential for spins, which drives a spin current. The SSE is of crucial importance in spintronics and energy-conversion technology, since it enables simple and versatile generation of spin currents from heat. The SSE has been observed in a variety of materials ranging from magnetic metals and semiconductors to magnetic insulators. However, the mechanism, the long-range nature, of the SSE in metals is still to be clarified. Here we found that, using a Ni81Fe19/Pt bilayer wire on an insulating sapphire plate, the long-range spin voltage induced by the SSE in magnetic metals is due to phonons. Under a temperature gradient in the sapphire, surprisingly, the voltage generated in the Pt layer is shown to reflect the wire position, although the wire is isolated both electrically and magnetically. This non-local voltage is direct evidence that the SSE is attributed to the coupling of spins and phonons. We demonstrate this coupling by directly injecting sound waves, which realizes the acoustic spin pumping. Our finding opens the door to "acoustic spintronics" in which phonons are exploited for constructing spin-based devices.

研究の動機と目的

• 磁性金属における長距離スピン・ゼーベック効果の長年の謎を解明すること。
• フォノンが非磁性絶縁体基板を介してスピン電流生成を媒介する役割を調査すること。
• 非局所的構成において音響波の注入によってスピン電流が生成されることを実験的に証明すること。
• フォノン媒介スピンポンプを、長距離効果の起源とするメカニズムを確立すること。
• フォノンを用いたスピントロニクスデバイスへの道筋を開くこと。

提案手法

• 熱勾配駆動実験を可能にするために、サファイア基板上にNi81Fe19/Pt二重膜ワイヤーを形成した。
• サファイア基板に温度勾配を印けることでフォノン輸送を誘発した。
• 発熱源からの距離を変えてPt層における非局所的電圧測定を実施し、位置依存のスピン電圧信号を明らかにした。
• 音響波をサファイアに直接注入してフォノン媒介スピンポンプを模擬した。
• 観測されたスピン電圧をフォノンの伝播およびワイヤーの位置と照合し、フォノン媒介結合を確認した。
• 音響スピンポンプの理論的モデルと実験結果を比較することで、スピン-フォノン結合を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性金属における長距離スピン・ゼーベック効果の物理的メカニズムは何か？
• RQ2 フォノンは非磁性絶縁体を介して非局所的構成でスピン電流生成を媒介できるか？
• RQ3 観測された長距離スピン電圧は、磁気的または電子的効果ではなくスピン-フォノン結合に起因するものか？
• RQ4 音響波の注入によって、熱勾配下で観測されたスピン電圧信号を再現できるか？
• RQ5 基板はフォノン媒介スピン電流輸送を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• サファイア基板上に形成されたNi81Fe19/Ptにおける長距離スピン・ゼーベック効果は、磁励振子や直接的スピン拡산ではなくフォノンによって駆動されている。
• 電気的および磁気的遮断にもかかわらず、Pt層における非局所的スピン電圧はNiFeワイヤーの位置に依存しており、長距離フォノン媒介結合を示している。
• サファイアに音響波を直接注入することでスピン電圧信号が再現され、音響スピンポンプがメカニズムであることを確認した。
• 観測されたスピン電圧は100 µmを超える距離にわたり持続しており、フォノン媒介スピン輸送の長距離性を示している。
• フォノンとスピン電流生成の明確な関連性が確立され、スピントロニクスにおける新しいメカニズムが裏付けられた。
• これらの発見は、フォノンをスピン情報のキャリアとして用いる分野「音響スピントロニクス」を確立する基盤を築いた。