[論文レビュー] Origin of the spin Seebeck effect probed by temperature dependent measurements in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$

Stephan Geprägs, Andreas Kehlberger+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、Gd₃Fe₅O₁₂/Ptヘテロ構造における温度依存性スピン・セーベック効果（SSE）を調査し、鉄（Fe）および gadolinium（Gd）の磁気サブラティスの寄与によって生じる2つの顕著な符号変化を明らかにした。280 K付近の最初の急激な符号反転は、磁気補償点におけるFeサブラティスの再配列に対応するが、65–85 K付近の2番目の徐々に進行する符号変化は、低温域におけるGdサブラティスのモードの優位性の増大を示しており、合成されたスピン電流が単純な磁化の複製ではなく、複数のモードが複雑に相互作用する結果であることを示している。

ABSTRACT

We probe the spin Seebeck effect in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$/Pt hybrid structures as a function of temperature and observe two sign changes of the spin Seebeck signal with decreasing temperature. A first sign change occurs at a temperature close to the Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$ magnetic compensation point at around 280 K. There the spin Seebeck signal changes sign abruptly with unaltered amplitude, indicating that the spin current is mainly caused by the magnetic Fe sub-lattices, which reorient their directions at this temperature. A second, more gradual sign change takes place around the ordering temperature of the Gd sub-lattice in the range of 65-85 K, showing that the Gd magnetic sub-lattice dominates the thermally driven spin current at lower temperatures. These sign changes together with the non-monotonous dependence of the spin Seebeck signal on the temperature demonstrate that the magnonic spin current is not simply replicating the effective magnetization of Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$. Rather, the thermally generated net spin current results from a complex interplay of the three magnetic sub-lattices involved.

研究の動機と目的

• 多フェロイックなGd₃Fe₅O₁₂（GdIG）におけるスピン・セーベック効果（SSE）の起源を、その温度依存的挙動を調査することで理解すること。
• 単純化された二サブラティスモデルによる予測と、観測されたSSEの符号変化の乖離を解明すること。
• 熱的に駆動されるマグノニックスピン電流を生成する際のFeおよびGd磁気サブラティスの果たす役割を特定すること。
• 異なる温度依存性磁気的応答を示す複数の磁気サブラティスの相互作用が、合成スピン電流の形状にどのように寄与するかを調査すること。
• 反強誘導性酸化物のSSE信号が単に全磁化を単純に再現するという仮定を疑問視すること。

提案手法

• 結晶方位および基板材料を変化させたGd₃Fe₅O₁₂/Ptヘテロ構造で、温度依存の縦方向SSE測定を実施した。
• SSE信号検出の信頼性を高めるために、2つの補完的実験手法を用いた。
• SSE電圧の温度依存的変化を分析し、磁気サブラティスの挙動に関連する臨界転移温度を同定した。
• 観測されたSSE信号の符号変化を、既知の磁気転移と照合した：Feサブラティスの補償点（約280 K）およびGdサブラティスの秩序化温度（65–85 K）。
• 熱勾配によって生成されたマグノニックスピン電流を、Ptにおける逆スピンホール効果（ISHE）を用いて検出した。
• Fe/PtおよびGd/Pt界面におけるスピン混合伝導度の差が及える影響を評価したが、界面伝導度の定量的評価は実施しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gd₃Fe₅O₁₂/Ptヘテロ構造におけるスピン・セーベック効果信号に観察された2つの符号変化は、温度が低下するに従って何によって引き起こされるのか？
• RQ2 FeおよびGd磁気サブラティスがマグノニックスピン電流に寄与する割合が、温度に従ってどのように変化するのか？
• RQ3 最初の符号変化がGd₃Fe₅O₁₂の磁気補償点よりも低い温度で発生するのはなぜか？
• RQ4 3つのサブラティス（FeおよびGd）の複雑なモード分散が、SSEの単純な二サブラティスモデルをどれほど無効にするのか？
• RQ5 低温域におけるGdサブラティスモードの優位性が、合成スピン電流の方向および大きさにどのように影響を与えるか？

主な発見

• SSE信号の最初の符号変化は、280 K付近で急激に発生し、Gd₃Fe₅O₁₂の磁気補償点と一致しており、この温度領域ではFeサブラティスがスピン電流を支配していることを示している。
• 2番目の、より徐々に進行する符号変化は、65 K～85 Kの間で発生し、Gdサブラティスの長距離秩序の開始に対応しており、Gd支配のマグノニックスピン電流への移行を示している。
• 最初の符号変化の急峻さは、補償点におけるFeサブラティス磁化の突然の再配列に起因するとされ、2番目の遷移の徐々な性質は、Gdモードの熱的励起の増加に起因すると考えられる。
• 観測されたSSE信号は、Gd₃Fe₅O₁₂の全磁化を単純に追従するものではなく、異なるサブラティスからの複数モードの非自明な相互作用によって合成スピン電流が生じることを示している。
• SSE信号の温度依存性は単調でなく、単一の主要な磁気的寄与を仮定する単純なモデルでは説明できないため、より複雑な理論的取り扱いの必要性が示された。
• 結果から、Fe/PtおよびGd/Pt界面におけるスピン混合伝導度の差が、観測された挙動に寄与している可能性があるが、本研究では定量的分析は行われなかった。