[論文レビュー] Spin Nernst Effect of Antiferromagnetic Magnons in the Presence of Spin Diffusion

Hantao Zhang, Ran Cheng|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、反強磁性絶縁体におけるマグノンスピンネルンスト効果（SNE）の拡散理論を展開し、スピン拡散と現実的な境界条件を考慮する。横方向のスピン蓄積と検出可能な信号は系の幅に応じて増大し、飽和に達するが、磁場依存性が偶関数であるため、光学的検出が好まわれる。これは、非拡散的モデルが奇関数の依存性を予測するのとは対照的である。

ABSTRACT

Magnon spin Nernst effect was recently proposed as an intrinsic effect in antiferromagnets, where spin diffusion and boundary spin transmission have been ignored. However, diffusion processes are essential to convert a bulk spin current into boundary spin accumulation, which determines the spin injection rate into detectors through imperfect transmission. We formulate a diffusive theory to describe the detection of magnon spin Nernst effect with boundary conditions reflecting real device geometry. Thanks to the spin diffusion effect, the output signals in both electronic and optical detection grow rapidly with an increasing system size in the transverse dimension, which eventually saturate. Counterintuitively, the measurable signals are even functions of magnetic field, yielding optical detection more favorable than electronic detection.

研究の動機と目的

• マグノンSNEの内在的モデルにおいて、拡散的効果および境界効果が欠落していることへの対処。
• 体積内スピン電流がスピン拡散を経て、境界での測定可能なスピン蓄積にどのように変換されるかのモデル化。
• 金属リードまたは孤立系を含む現実的なデバイス幾何における検出可能な信号の予測。
• 電子的および光学的検出の比較を行い、対称性に起因して光学的検出が電子的検出を上回る条件を特定。
• 実験において逆スピンホール効果（SHE）電圧と熱電気的信号を分離する際の曖昧さの解消。

提案手法

• スピンが平面に垂直なネール秩序を示す2次元反強磁性体薄膜におけるマグノンの拡散的輸送モデルを構築。
• 実際のデバイス界面を反映する境界条件を含むスピン拡散方程式を組み込む。これには、金属リードへのスピン透過も含まれる。
• ジャローシュキン＝モリスキー相互作用を用いた半古典的線形スピン波理論を採用し、マグノンにスピン軌道結合に類似した効果を導入。
• 縦方向の温度勾配下での横方向スピン電流および境界スピン蓄積を解明。
• 2つのデバイス幾何を分析：(1) 逆SHEによる電子的検出のための金属リード、(2) 光学的検出のための孤立系。
• 磁場依存信号を計算し、電子的および光学的検出応答を比較。磁場反転において偶関数的対称性が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン拡散は、反強磁性絶縁体におけるマグノンSNEの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ2 境界条件および不完全なスピン透過は、信号生成においてどのような役割を果たすか？
• RQ3 なぜ測定可能な信号が磁場の偶関数となるのか。これは検出方法選定にどのような影響を与えるか？
• RQ4 系のサイズは、電子的検出における出力電圧またはスピン蓄積にどのように影響するか？
• RQ5 なぜこの文脈において光学的検出が電子的検出よりも好まわれるのか？

主な発見

• 電子的検出における出力電圧は、系の幅が増大するにつれて増大し、スピン拡散および境界での平衡化のため、最終的に飽和する。
• 測定可能な信号は磁場の偶関数であるが、これは非拡散的モデルが予測する奇関数的依存性とは矛盾する。
• この偶関数的対称性は、電子的検出において逆SHE信号と背景の熱電気的効果を分離することが根本的に困難であることを示唆する。
• したがって、光学的検出がより好まわれる。これは、この曖昧さを回避でき、偶関数的磁場応答の利点を活かせるからである。
• 理論は、境界スピン蓄積が、チャープルエッジ状態が関与する熱的ホール効果とは異なり、体積内スピン電流の拡散によるものであると説明する。
• 本モデルは、金属リードまたは非侵襲的プローブを用いた実際のAFMヘテロ構造における実験的信号を比較するための予測的フレームワークを提供する。