[論文レビュー] Effects of Domain Wall on Electronic Transport Properties in Mesoscopic Wire of Metallic Ferromagnets

Gen Tatara|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 1999

Magnetic properties of thin films参考文献 52被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、線形応答理論とスピン空間ゲージ変換を用いて、メソスコピックなフェリ磁性ワイヤーにおける電子輸送に及ぼす磁気ドメイン壁の影響を調査した。その結果、バルク材料では壁の厚さがフェルミ波長に比べて大きいことから、古典的輸送寄与は無視できるが、弱局在の量子補正が顕著に抵抗率を低下させ、特に低温およびワイヤー径が位相コherー二ンス長と同等のナノコンタクトでは顕著に現れることがわかった。

ABSTRACT

We study the effect of the domain wall on electronic transport properties in wire of ferromagnetic 3$d$ transition metals based on the linear response theory. We considered the exchange interaction between the conduction electron and the magnetization, taking into account the scattering by impurities as well. The effective electron-wall interaction is derived by use of a local gauge transformation in the spin space. This interaction is treated perturbatively to the second order. The conductivity contribution within the classical (Boltzmann) transport theory turns out to be negligiblly small in bulk magnets, due to a large thickness of the wall compared with the fermi wavelength. It can be, however, significant in ballistic nanocontacts, as indicated in recent experiments. We also discuss the quantum correction in disordered case where the quantum coherence among electrons becomes important. In such case of weak localization the wall can contribute to a decrease of resistivity by causing dephasing. At lower temperature this effect grows and can win over the classical contribution, in particular in wire of diameter $L_{\perp}\lesssim \ell_{\phi}$, $\ell_{\phi}$ being the inelastic diffusion length. Conductance change of the quantum origin caused by the motion of the wall is also discussed.

研究の動機と目的

• メソスコピックなフェリ磁性ワイヤーにおける磁気ドメイン壁の電子輸送への影響を理解すること。
• ドメイン壁の相互作用が、ナノ構造系における電導度に意味的な寄与を果たすかどうかを特定すること。
• 不規則なフェリ磁性ワイヤーにおける古典的輸送と量子補正の相乗的相互作用を分析すること。
• ドメイン壁の運動が低次元系における量子伝導度の変化を引き起こす仕組みを調査すること。

提案手法

• フェリ磁性3d遷移金属ワイヤーにおける電子輸送をモデル化するために線形応答理論を用いた。
• スピン空間における局所ゲージ変換を用いて、有効な電子-壁相互作用ポテンシャルを導出した。
• 相互作用強度に対して2次までの摂動論的扱いを採用した。
• 古典的ボルツマン輸送理論を用いて、従来の電導度寄与を評価した。
• 弱局在領域における量子補正を分析し、ドメイン壁による位相の散乱効果に注目した。
• 量子輸送形式を用いて、ドメイン壁の運動に起因する伝導度変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメイン壁はバルクフェリ磁性ワイヤーにおける古典的電導度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 量子コherー二ンスおよび弱局在が、ドメイン壁に起因する抵抗率変化に果たす役割は何か？
• RQ3 どのような条件下で、ドメイン壁に起因する量子寄与が古典的効果を上回るようになるか？
• RQ4 ワイヤー径は、ドメイン壁に起因する量子補正の相対的寄与にどのように影響を与えるか？
• RQ5 メソスコピック系におけるドメイン壁の運動に起因する伝導度変化の大きさと性質は何か？

主な発見

• バルク磁性体では、フェルミ波長に比べて壁の厚さが非常に大きいことから、ドメイン壁に起因する古典的電導度寄与は無視できる。
• ボールスティックナノコンタクトでは、ドメイン壁との相互作用が顕著な輸送効果を引き起こし、最近の実験的観測と整合的である。
• 不規則系では、ドメイン壁が位相の散乱を引き起こし、抵抗率を低下させる量子補正を生じる。
• この量子的抵抗率低下は低温で増大し、ワイヤー径が位相コherー二ンス長 ℓϕ と同等またはそれ以下のとき、支配的となる。
• ドメイン壁の運動に起因する伝導度変化は、量子力学的起源を持ち、ナノ構造フェリ磁性ワイヤーでは無視できない。