[論文レビュー] Do thermal effects always contribute to spin pumping signals

Paul Noël, Maxen Cosset‐Chéneau+7 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、フェリ磁性共鳴実験における熱的効果と真のスピンポンプ効果を区別するため、時間分解ボロメトリ・スピンポンプ比較法を提案する。マイクロ波キャビティを用いて、同一のPt/NiFeおよびLSMO/Pt試料において熱信号とスピン信号を測定した結果、スピンセーベック効果や異常ネルンスト効果などの熱電気的効果に顕著な寄与は認められず、観測された信号がすべてスピンポンプに起因することを確認した。

ABSTRACT

Spin pumping by ferromagnetic resonance is one of the most common technique to determine spin hall angles, Edelstein lengths or spin diffusion lengths of a large variety of materials. In recent years, rising concerns have appeared regarding the interpretation of these experiments, underlining that the signal could arise purely from thermoelectric effects, rather than from spin pumping and spin-charge interconversion. Here, we propose a method to evaluate the presence or absence of thermal effects in spin pumping signals, by combining bolometry and spin pumping by ferromagnetic resonance measurements, and comparing their timescale. Using a cavity to perform the experiments on Pt\NiFe and LSMO\Pt samples, we conclude on the absence of any measurable thermoelectric contribution such as the spin Seebeck and Anomalous Nernst effects.

研究の動機と目的

• スピンポンプ信号が実際にはスピンセーベック効果や異常ネルンスト効果などの熱電気的効果に起因している可能性への懸念が高まっていることを受けて、これを解消すること。
• フェリ磁性共鳴測定において、熱的寄与と真のスピンポンプを実験的に区別できる手法を開発すること。
• 熱的アーチファクトを排除することで、スピンホール角、エーデルシュタイン長、スピン拡산長の測定値の解釈を検証すること。

提案手法

• マイクロ波キャビティを用いて、Pt/NiFeおよびLSMO/Ptヘテロ構造におけるフェリ磁性共鳴に基づくスピンポンプ実験を実施する。
• 高い時間分解能を持つボロメトリを用いて、同時に熱信号を測定し、時間スケールを比較する。
• スピンポンプ信号と熱信号の時間発展を分析することで、熱電気的効果による寄与や重なりを特定する。
• スピン応答と熱応答の時間的分離を診断ツールとして用い、熱的アーチファクトを除外する。
• 複数の試料においてスピンポンプ信号とボロメトリック信号の振幅およびダイナミクスを比較し、非熱的寄与を分離する。
• スピンセーベック効果や異常ネルンスト効果などの顕著な熱電気的効果が観測信号に存在しないことに注目する。

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や異常ネルンスト効果などの熱的効果が、フェリ磁性共鳴実験においてスピンポンプと区別がつかない信号を生成する可能性はあるか？
• RQ2 スピンホール材料ヘテロ構造において、熱的効果とスピンポンプの時間的シグネイチャはどのように異なるか？
• RQ3 熱電気的寄与は、報告されたスピンホール角およびスピン拡散長の測定値にどの程度混入しているか？
• RQ4 時間分解ボロメトリを用いることで、スピンポンプ実験における熱的アーチファクトを明確に除外できるか？
• RQ5 Pt/NiFeおよびLSMO/Ptヘテロ構造で観測された信号は本当にスピンポンプに起因するのか、それとも温度勾配に起因するものではないか？

主な発見

• Pt/NiFeおよびLSMO/Ptヘテロ構造のスピンポンプ信号に顕著な熱電気的寄与は検出されなかった。
• ボロメトリック測定との時間分解比較により、スピンセーベック効果や異常ネルンスト効果が存在しないことが確認された。
• スピンポンプ信号と熱信号の時間的ダイナミクスが明確に異なることが判明し、両者の分離が可能となった。
• 本研究では、これらの材料における報告されたスピンポンプ信号が熱的効果に起因するアーチファクトではないことを確認した。
• 提案された手法により、スピンポンプが熱的寄与から明確に分離され、従来のスピンホール角およびスピン拡散長の測定値の妥当性が支持された。
• 結果として、これらの系においてスピンポンプがスピン輸送パラメータを抽出するための信頼できる手法であることが裏付けられた。