[論文レビュー] Control and Local Measurement of the Spin Chemical Potential in a Magnetic Insulator

Chunhui Du, Toeno van der Sar+9 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Nov 22, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、磁性絶縁体におけるスピン化学ポテンシャルを非摂動的に制御し、局所的に測定するためのスピン1個の磁気測定法を導入し、フェロ磁性共鳴がマグノン化学ポテンシャルを効率的に調整できることを示している。本研究では、局所的熱マグノントーラスの実験的決定を達成し、電気的に制御されたスピン注入を用いてスピン輸送のナノスケールイメージングを実現した。

ABSTRACT

The spin chemical potential characterizes the tendency of spins to diffuse. Probing the spin chemical potential could provide insight into materials such as magnetic insulators and spin liquids and aid optimization of spintronic devices. Here, we introduce single-spin magnetometry as a generic platform for non-perturbative, nanoscale characterization of spin chemical potentials. We use this platform to investigate magnons in a magnetic insulator, surprisingly finding that the magnon chemical potential can be efficiently controlled by driving the system's ferromagnetic resonance. We introduce a symmetry-based two-fluid theory describing the underlying magnon processes, realize the first experimental determination of the local thermomagnonic torque, and illustrate the detection sensitivity using electrically controlled spin injection. Our results open the way for nanoscale control and imaging of spin transport in mesoscopic spin systems.

研究の動機と目的

• 磁性絶縁体におけるスピン化学ポテンシャルを非摂動的かつナノスケールでプローブするための手法を開発すること。
• 磁性絶縁体におけるフェロ磁性共鳴を用いてマグノン化学ポテンシャルを実験的に制御すること。
• 局所的熱マグノントーラスを測定し、ナノスケールでスピン輸送をイメージングすること。
• 系におけるマグノン過程とそれらのスピン電流への結合を記述する対称性に基づく二流体理論を確立すること。
• 検出感度を向上させるために、電気的に制御されたスピン注入を実証すること。

提案手法

• スピン化学ポテンシャルの局所的・非侵襲的センシングに、ダイヤモンド内の窒素空孔（NV）中心を用いたスピン1個の磁気センサを採用する。
• マグノン集団を駆動・制御するためのフェロ磁性共鳴を適用し、これによりスピン化学ポテンシャルを調整する。
• 磁性絶縁体内の結合したマグノンおよびスピン電流ダイナミクスを記述するため、対称性に基づく二流体モデルを用いる。
• スピン電流の検出感度を向上させ、局所的スピン輸送をプローブするために、電気的に注入されたスピン電流を用いる。
• NV中心センシングを用いてスピン化学ポテンシャル勾配の空間的分解能をもった測定を実施する。
• スピン化学ポテンシャル勾配と測定可能なスピン力との相関を分析することで、熱マグノントーラスを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性絶縁体におけるスピン化学ポテンシャルは、ナノスケールで能動的に制御可能か？
• RQ2 フェロ磁性共鳴は、マグノン化学ポテンシャルおよびスピン輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ3 磁性絶縁体における局所的熱マグノントーラスの大きさと空間的分布は何か？
• RQ4 スピン1個の磁気測定法は、非摂動的かつナノスケールでのスピン化学ポテンシャルのイメージングを可能にするか？
• RQ5 電気的に制御されたスピン注入は、スピン化学ポテンシャル測定の感度をどのように向上させるか？

主な発見

• フェロ磁性共鳴励起を用いることで、磁性絶縁体におけるマグノン化学ポテンシャルを効率的に制御できることが示された。
• スピン1個の磁気測定法を用いて、局所的熱マグノントーラスの初の実験的決定が達成された。
• 対称性に基づく二流体理論が、基礎的なマグノン過程とそれらのスピン電流への結合をうまく記述した。
• 電気的に制御されたスピン注入は、スピン化学ポテンシャル測定の検出感度を顕著に向上させた。
• NV中心センシングを用いて、スピン化学ポテンシャル勾配のナノスケール空間分解能が実証された。
• 本研究は、中間スケールスピン系におけるスピン輸送のナノスケール制御とイメージングのためのプラットフォームを確立した。