[論文レビュー] Magnon transport and thermoelectric effects in ultrathin Tm3 Fe5 O12 /Pt nonlocal devices

Gao Jialiang, Charles‐Henri Lambert+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、調和電圧測定を用いて、超薄膜Tm3Fe5O12/Pt非局所デバイスにおける磁振子輸送および熱電効果を調査した。磁振子駆動信号と熱電効果の寄与を分離し、0.5 Tで約0.3 µmの磁振子拡散長が得られ、0.8 Tではギルバート減衰の増大により約0.2 µmに減少することが判明した。一方、2次調和応答において5つの異なる熱電効果が特定された。

ABSTRACT

The possibility of electrically exciting and detecting magnon currents in magnetic insulators has opened exciting perspectives for transporting spin information in electronic devices. However, the role of the magnetic field and the nonlocal thermal gradients on the magnon transport remain unclear. Here, by performing nonlocal harmonic voltage measurements, we investigate magnon transport in perpendicularly magnetized ultrathin Tm3Fe5O12 (TmIG) films coupled to Pt electrodes. We show that the first harmonic nonlocal voltage captures spin-driven magnon transport in TmIG, as expected, and the second harmonic is dominated by thermoelectric voltages driven by current-induced thermal gradients at the detector. The magnon diffusion length in TmIG is found to be on the order of 0.3 μm at 0.5 T and gradually decays to 0.2 μm at 0.8 T, which we attribute to the suppression of the magnon relaxation time due to the increase of the Gilbert damping with field. By performing current, magnetic field, and distance dependent nonlocal and local measurements we demonstrate that the second harmonic nonlocal voltage exhibits five thermoelectric contributions, which originate from the nonlocal spin Seebeck effect and the ordinary, planar, spin, and anomalous Nernst effects. Our work provides a guide on how to disentangle magnon signals from diverse thermoelectric voltages of spin and magnetic origin in nonlocal magnon devices, and establish the scaling laws of the thermoelectric voltages in metal/insulator bilayers.

研究の動機と目的

• 超薄膜磁性絶縁体/重金属ヘテロ構造における磁振子輸送と熱電効果の相乗的相互作用を解明すること。
• 電流による熱勾配が引き起こす熱電電圧と非局所磁振子信号の区別に生じる曖昧さを解消すること。
• 垂直磁性を示すTm3Fe5O12膜における磁場依存の磁振子拡散長の定量的評価を行うこと。
• 非局所デバイスにおいて、非局所スピンゼーベック効果、通常の、平面状の、スピンの、および異常Nernst効果を含む複数の熱電寄与を特定・分離すること。
• 非局所幾何学的構造における金属/絶縁体バイレイヤーにおける熱電電圧のスケーリング則を確立し、信号の明確な識別を可能とすること。

提案手法

• インジェクタ-ディテクタ間隔を変化させたパターン化されたPt/Tm3Fe5O12/Ptデバイスで非局所調和電圧測定を実施する。
• 電流、磁場、角度依存測定を用いて、磁振子輸送と熱電効果からの寄与を分離する。
• 1次調和電圧を用いて指数関数的減衰解析により磁振子拡散長を抽出する。
• 2次調和電圧の解析により、非局所スピンゼーベック効果、通常のNernst効果、平面状Nernst効果、スピンNernst効果、および異常Nernst効果の5つの熱電寄与を特定・分離する。
• 磁場および距離依存測定を用いて、近接効果由来の信号（例：平面状Nernst効果）とスピン由来の効果（例：スピンNernst効果）を区別する。
• ギルバート減衰の体系的記述を用いて磁振子輸送をモデル化し、磁場依存の拡散長の短縮を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場は、超薄膜Tm3Fe5O12膜における磁振子拡散長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に非局所的熱勾配に起因する熱電電圧が、2次調和非局所応答を支配する程度はどの程度か？
• RQ3 2次調和電圧に寄与する熱電効果は何か？ それらは磁振子駆動信号からどのように区別できるか？
• RQ4 非局所デバイスにおいて、近接効果由来の熱電効果（例：平面状Nernst効果）とスピン由来の効果（例：スピンNernst効果）を区別できるか？
• RQ5 金属/絶縁体バイレイヤーにおける非局所幾何学的構造下での熱電電圧を支配するスケーリング則は何か？

主な発見

• Tm3Fe5O12における磁振子拡散長は、0.5 Tで約0.3 µmから0.8 Tで約0.2 µmに低下し、磁場による磁振子緩和時間の抑制に起因する。
• 1次調和非局所電圧は、スピン駆動の磁振子輸送を信頼性高く捉えており、拡散的磁振子電流の存在を確認している。
• 2次調和非局所電圧は、長距離磁振子拡散ではなく、検出器における電流による熱勾配に起因する熱電電圧によって支配されている。
• 2次調和応答に5つの明確な熱電寄与が特定された：非局所スピンゼーベック効果、通常のNernst効果、平面状Nernst効果、スピンNernst効果、および異常Nernst効果。
• 角度、磁場、電流、距離依存性の実験により、磁気的起源とスピン的起源の熱電効果を明確に区別できるようになった。
• 本研究は、非局所磁振子デバイスにおける磁振子信号と熱電アーチファクトの明確な分離を可能とするフレームワークを確立した。