[論文レビュー] Spin hydrodynamic generation in graphene

Mamoru Matsuo, D. A. Bandurin+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、粘性電子流体力学を介してグラフェン内でスピン電流を生成するための新規メカニズムを提案する。ここで、電子流れにおけるスピン-渦度結合が横方向のスピン積算を生じる。主な結果として、広い温度範囲でスピンホール角が0.1を超えることが示され、現代の磁気測定技術で検出可能なスピン積算（約3×10⁻² μeV）が得られる。

ABSTRACT

Graphene hosts an ultra-clean electronic system with electron-electron collisions being the dominant source of scattering above liquid nitrogen temperatures. In this regime, the motion of the electron fluid resembles the flow of classical liquids and gases with high viscosity. Here we show that such a viscous electron flow can cause the generation of a spin current perpendicular to the direction of flow. Combining the Navier-Stokes equations and the spin diffusion equation in the presence of the spin-vorticity coupling, we derive an expression for the spin accumulation emerging purely as a result of the viscous electron flow. We explore Poiseuille flow and Jeffery-Hamel flow and show that the spin Hall angle may exceed 0.1 over a wide range of temperatures and can be controlled by carrier density, temperature, and the geometry of sample boundaries. Our theory points to new functionality of graphene as a spin current source.

研究の動機と目的

• 従来のスピン注入やスピン軌道結合を超えたグラフェンにおけるスピン電流生成を探索すること。
• 超純粋なグラフェンデバイスにおけるスピン偏極電流生成の限られた手法を解決すること。
• グラフェン内の粘性電子流れを活用することで、流体力学とスピントロニクスを結びつけること。
• 流体力学的流れの配置において、実験的に測定可能なスピン積算とスピンホール角を予測すること。
• キャリア密度、温度、およびサンプル幾何学を用いたスピン電流の制御を示すこと。

提案手法

• 粘性電子流体のナビエ＝ストークス方程式を用いたグラフェン内電子流れのモデル化。
• スピン拡散方程式にスピン-渦度結合を組み込み、スピン電流生成を記述すること。
• ポアズイユ流れとジェファリー＝ヘイルム流れの幾何学的配置を分析し、スピン積算のパターンを検討すること。
• 粘性、スピン緩和長、および流れの幾何学的形状を関数としてスピンホール角を導出すること。
• スピン拡散方程式の数値解を用いて、異なる流れ領域におけるスピン積算の大きさを推定すること。
• 定量的比較および実験的実現可能性の評価のため、スピン積算を基準スケールδμ^SHD ≈ 0.1 meVに正規化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン内の粘性電子流れは、スピン-渦度結合によって横方向のスピン電流を生成できるか？
• RQ2 グラフェン内の流体力学的電子流れにおけるスピンホール角の大きさと調整可能性は何か？
• RQ3 サンプルの幾何学（例：収束流対発散流）はスピン積算にどのように影響するか？
• RQ4 予測されたスピン積算は、現在の技術で実験的に検出可能か？
• RQ5 温度、キャリア密度、および粘性は、スピン電流生成の効率にどのように影響するか？

主な発見

• スピンホール角は広い温度範囲で0.1を超える。これは、強いスピン軌道結合を示す材料と同等の値である。
• ジェファリー＝ヘイルム流れにおいて、サンプルの境界部でスピン積算が最大約3×10⁻² μeV（または1 Oe）に達し、スキャニングNV磁気計測法の感度範囲内にある。
• キャリア密度、温度、およびサンプル幾何学、特に端のなす角度によってスピン積算が調整可能である。
• ジェファリー＝ヘイルム流れでは、サンプルサイズがスピン緩和長と同等のため、径方向のスピン電流は小さい。
• Re = 100の場合、流れは不安定化し得る。その結果、層流とは異なる複雑なスピン積算パターンが生じる。
• 予測されたスピン電流生成は、スキャニング光起電圧顕微鏡法または2次元センシング技術を用いて実験的に達成可能である。