[論文レビュー] Investigation of the unidirectional spin heat conveyer effect in a 200nm thin Yttrium Iron Garnet film

O. Wid, Jackson J. Bauer+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ロックイン熱画像法（LIT）を用いて200 nmのイットリウム鉄 garnet（YIG）膜において、非相反的ダモン＝エシュバッハスピン波に起因する非対称な温度プロファイルを示す、一方向的スピン熱効果を実証した。薄膜であるがゆえに効果の大きさが小さいものの、LITは数mKの温度差を検出でき、効果が依然として存在することを確認した。これは、磁場依存の熱起電力が逆スピンホール効果（ISHE）信号に類似するため、ISHE測定において考慮すべきものである。

ABSTRACT

We have investigated the unidirectional spin wave heat conveyer effect in sub-micron thick yttrium iron garnet (YIG) films using lock-in thermography (LIT). Although the effect is small in thin layers this technique allows us to observe asymmetric heat transport by magnons which leads to asymmetric temperature profiles differing by several mK on both sides of the exciting antenna, respectively. Comparison of Damon-Eshbach and backward volume modes shows that the unidirectional heat flow is indeed due to non-reciprocal spin-waves. Because of the finite linewidth, small asymmetries can still be observed when only the uniform mode of ferromagnetic resonance is excited. The latter is of extreme importance for example when measuring the inverse spin-Hall effect because the temperature differences can result in thermovoltages at the contacts. Because of the non-reciprocity these thermovoltages reverse their sign with a reversal of the magnetic field which is typically deemed the signature of the inverse spin-Hall voltage.

研究の動機と目的

• 従来、厚膜YIGで観察された一方向的スピン熱効果が、超薄膜200 nm YIG膜でも継続するかどうかを調査すること。
• ダモン＝エシュバッハモードの非相反的性質が、薄膜でも検出可能な非対称な熱輸送を引き起こすかどうかを特定すること。
• スピン熱効果が逆スピンホール効果（ISHE）測定に与える影響を評価し、特に熱起電力がISHE信号に誤って帰属されるリスクを特定すること。
• ロックイン熱画像法が、薄膜におけるスピン波の非相反性に起因する小さな温度勾配（<1 mK）を検出できる感度を評価すること。
• 有限線幅および上部（空気）と下部（GGG基板）界面における表面減衰の違いが、薄膜YIG膜における非対称な熱輸送を可能にする役割を明らかにすること。

提案手法

• マイクロ波励起スピン波によって誘発される動的温度変調を検出するためにロックイン熱画像法（LIT）を用い、1 Hzの変調周波数と5分間の積分時間とした。
• 電子線リソグラフィーと蒸着法（10 nm Ti / 250 nm Ag / 50 nm Au）を用いて、YIG膜上に80 µmの信号ライン幅と35 µmの間隔を持つ共面波ガイド（CPW）を形成した。
• 5 GHz、-1 dBmの出力でフェロ磁性共鳴（FMR）測定を実施し、共鳴磁場とモードを特定した。磁場は電磁石を用いてスイープした。
• 赤外画像はInSb検出器（640×512ピクセル）を用いて取得し、位相同期検出により同相成分と直交成分を処理し、温度変調の振幅を抽出した。
• 表面をインクで黒く塗布することで、赤外放射率を均一にし、SN比を向上させた。
• ダモン＝エシュバッハモード（DEM）とバックワードボリュームモード（BVM）の温度プロファイルを比較するために、複数の磁場点で測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 nmの厚さのYIG膜では、その薄さとスピン波の伝搬距離の短さにもかかわらず、一方向的スピン熱効果が顕在化するか？
• RQ2 信号の大きさが小さいにもかかわらず、ロックイン熱画像法が非相反的スピン波に起因する非対称な温度プロファイルを解像できるか？
• RQ3 上部（空気）と下部（GGG基板）界面における有限線幅および表面減衰の違いが、観察された非対称性にどの程度寄与しているか？
• RQ4 スピン熱効果に起因する熱起電力が、逆スピンホール効果測定の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観察された温度差は、非相反的スピン波伝搬に起因するものに限定されるのか、それとも均一モード励起も寄与しているか？

主な発見

• ロックイン熱画像法を用いて、200 nm YIG膜において一方向的スピン熱効果が成功裏に観測された。励起アンテナの両側で数mKの温度差が検出された。
• 非対称な温度プロファイルは、非相反的ダモン＝エシュバッハモードに起因するとされ、LIT画像における鋭い共鳴ピークと方向依存性から裏付けられた。
• スピン波伝搬距離が短いため熱のたまりが顕著でないにもかかわらず、非相反的スピン波伝搬に起因する非対称なエネルギー損失により、効果は依然として検出可能であった。
• 有限線幅のため、均一モードとDEMが完全に分離されず、残存する温度勾配が磁場依存の熱起電力を生成する原因となった。
• この効果に起因する熱起電力は、1 mKの温度差に対して最大で160 nVに達し、特にPEDOT:PSSのような高いセーベック係数を示す材料では、通常のISHE信号と同等の大きさである。
• 結果から、スピン熱効果に起因する熱起電力は逆スピンホール効果に類似しており、特に薄膜および有機ヘテロ構造においては、実験的に明確に除外する必要があることが示唆された。