[論文レビュー] Auto-oscillations in YIG/Pt microstructures driven by the spin Seebeck effect

V. Lauer, Michael Schneider+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スピンセーベック効果（SSE）によって駆動されるYIG/Ptナノワイヤーにおいて、室温で自己発振が実証された。熱勾配がスピン転送トルクを誘発し、約20ナノ秒の周期で整合した磁化歳差運動を励起する。この効果はSSEによって注入された磁励振子に起因し、温度依存のスピンミキシング伝導度によって変調される。スピンホール効果による寄与はわずかであり、小型のマイクロ波源への応用可能性が示唆される。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that a thermal gradient in a nanostructured YIG(66 nm)/Pt(7 nm) bilayer can trigger coherent spin dynamics in the YIG layer due to a spin Seebeck effect (SSE) induced spin-transfer torque (STT). The experiment is performed on a 4 {\mu}m long and 475 nm wide YIG/Pt nanowire at room temperature. Magnetization precession is excited by applying 50 ns long dc pulses to the structure, and detected using Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy. SSE-driven magnetization auto-oscillations appear on a short time scale of around 20 ns, afterwards the BLS signal decays again. The observed behavior is caused by the interplay of the SSE, which depends on the thermal gradient, with effects depending on the absolute temperature, e.g., the spin mixing conductance. Numerical simulations show that the thermal gradient saturates within a few nanoseconds, but the absolute temperature of the system steady increases during the dc pulse. Moreover, the experimental data demonstrate a small contribution from the spin Hall effect. Our findings suggest the generation of a coherent precession state from incoherent SSE-injected magnons and reveal an application potential for microwave sources at room temperature.

研究の動機と目的

• 室温におけるスピンセーベック効果（SSE）によって駆動されるYIG/Ptナノ構造における整合的スピンダイナミクスを調査すること。
• 自己発振の生成に寄与する熱勾配と温度依存のスピン輸送特性の相乗的相互作用を理解すること。
• スピン電流生成において、SSEとスピンホール効果などの競合効果の役割を区別すること。
• ナノ構造ヘテロ構造におけるSSE駆動の磁励振子注入を用いた整合的マイクロ波信号生成の可能性を実証すること。

提案手法

• 室温下で実験を行うために、長さ4 µm、幅475 nmのYIG(66 nm)/Pt(7 nm)ナノワイヤーが作製された。
• 50 nsのdcパルスを印加してバイレイヤー構造に熱勾配を生成した。
• 磁化歳差運動は、ブリューニャ光散乱（BLS）分光法を用いて検出され、動的応答が観察された。
• 数値シミュレーションにより、dcパルス中の熱勾配の時間的変化と温度上昇をモデル化し、約2 nsで飽和することを捉えた。
• システムの応答を解析して、スピンセーベック効果とスピンホール効果からの寄与を分離した。
• 観測されたBLS信号の減衰を説明するため、シミュレーションに温度依存のスピンミキシング伝導度を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンセーベック効果は、室温における熱勾配下でYIG/Ptナノワイヤーに整合的自己発振を誘発できるか？
• RQ2 dcパルス中の熱勾配の時間的変化と温度上昇が、磁化歳差運動の発生および減衰にどのように影響するか？
• RQ3 本系において、スピン電流生成の観点から、スピンセーベック効果がスピンホール効果に比べてどの程度の寄与を示すか？
• RQ4 スピンミキシング伝導度を含む温度依存のスピン輸送特性が、SSE駆動の自己発振ダイナミクスにどのように影響するか？

主な発見

• 50 nsのdcパルス印加後、約20 ns以内にスピンセーベック効果によって駆動される整合的磁化歳差運動が観測された。
• BLS信号は初期の振動バーストの後に減衰し、一時的な自己発振的挙動であることが示された。
• システム内の熱勾配は約2 nsで飽和したが、構造の絶対温度はパルス中においても継続的に上昇した。
• 数値的シミュレーションにより、熱勾配と温度依存のスピンミキシング伝導度の相乗的相互作用が観測されたダイナミクスを支配することが確認された。
• スピンホール効果によるわずかなが測定可能な寄与が検出されたが、SSE駆動メカニズムに比べて二次的であった。
• 本結果は、SSEによって非整合的に注入された磁励振子が、整合的歳差状態の生成を可能にし、将来的なマイクロ波源応用に繋がる可能性を示している。