[論文レビュー] Generation of femtosecond spin current pulses via non-thermal spin-dependent Seebeck effect and their interaction with ferromagnets in spin valves

Alexandr Alekhin, Ilya Razdolski+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、非熱的スピン依存性サーモエレクトリック効果を用いて、Fe/Au/Fe/MgO(001)の擬似スピンバルブで250 fsのスピン電流パルスを生成することを示した。超短パルス幅は、Feにおけるレーザー励起による高温キャリアの熱化時間に起因し、100 nm未満のAu層を越える超拡산的輸送は、バルビン限界に近い。スピンの回転は、非平行磁化のAu/Fe界面で発生する。

ABSTRACT

Using the sensitivity of magneto-induced second harmonic generation to spin currents (SC), we demonstrate in Fe/Au/Fe/MgO(001) pseudo spin valves the generation of 250 fs-long SC pulses. Their temporal profile indicates that superdiffusive hot electron transport across a sub-100~nm Au layer is close to the ballistic limit and the pulse duration is primarily determined by the thermalization time of laser-excited hot carriers in Fe. Considering the calculated spin-dependent Fe/Au interface transmittance we conclude that a non-thermal spin-dependent Seebeck effect is responsible for the generation of ultrashort SC pulses. We also show that hot electron spins rotate upon interaction with non-collinear magnetization at the Au/Fe interface, which holds high potential for future spintronic devices.

研究の動機と目的

• 超短パルススピン電流の生成を、超短パルスレーザー励起を用いてスピンバルブ構造で調査すること。
• Fe/Au/Fe/MgO(001)ヘテロ構造における250 fs未満のスピン電流パルスの物理的起源を特定すること。
• この系における非熱的スピン依存性サーモエレクトリック効果がスピン電流生成に果たす役割を検討すること。
• 100 nm未満のAu層を越えるスピン電流輸送の解析と、拡散輸送からの逸脱を評価すること。
• 超高速スピントロニクスの文脈において、非平行磁化によるAu/Fe界面でのスピン回転を検討すること。

提案手法

• 高温キャリアを生成するために、Fe層への超短パルスレーザー励起を実施。
• 時間分解能およびスピン感度に優れたスピン電流検出のため、磁気誘起二次高調波生成（MSHG）を用いる。
• スピン電流の時間的プロファイルを測定し、Au層を越える輸送ダイナミクスを推定。
• 非熱的サーモエレクトリック効果の寄与を評価するため、Fe/Au界面におけるスピン依存性界面透過率を分析。
• 観測されたパルス幅と関連付けるために、Feにおける高温キャリアの熱化時間のモデル化。
• 非平行磁化下でのMSHGを用いて、Au/Fe界面におけるスピン回転を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe/Au/Fe/MgO(001)の擬似スピンバルブで観測された250 fsの超短スピン電流パルスの起源は何か？
• RQ2 100 nm未満のAu層を越える超拡散的輸送は、どの程度バルビン限界に近いか？
• RQ3 非熱的スピン依存性サーモエレクトリック効果は、この系におけるスピン電流生成にどの程度寄与しているか？
• RQ4 Feにおける高温キャリアの熱化時間は、パルス幅の決定にどの程度寄与しているか？
• RQ5 高温キャリアのスピンは、非平行磁化を持つAu/Fe界面と相互作用した際にどのように変化するか？

主な発見

• 超短パルススピン電流（250 fs）が、Fe/Au/Fe/MgO(001)の擬似スピンバルブで超短パルスレーザー励起を用いて成功裏に生成された。
• パルス幅は、主にレーザー励起による高温キャリアのFe内での熱化時間に支配されており、Au層を越える輸送に起因しない。
• 100 nm未満のAu層を越えるスピン電流輸送は、バルビン限界に近い超拡散的挙動を示した。
• 非熱的スピン依存性サーモエレクトリック効果が、スピン電流生成の主因であると特定された。
• 高温キャリアのスピンは、非平行磁化を持つAu/Fe界面と相互作用することで回転を示し、超高速デバイスにおけるスピン操作の可能性を示唆した。
• 計算されたスピン依存性界面透過率は、従来の熱勾配よりも非熱的サーモエレクトリック効果の寄与を支持する。