[論文レビュー] Spin-Pumping-Induced Inverse Spin Hall Effect in Nb/Ni80Fe20 Bilayers and its Strong Decay Across the Superconducting Transition Temperature

Kun-Rok Jeon, Chiara Ciccarelli+6 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Nb/Ni80Fe20二重積膜におけるスピンポンプ効果誘発逆スピンホール効果（iSHE）を調査し、室温におけるスピンホール角 θSH ≈ −0.001 およびスピン拡산長 lsd ≈ 30 nm を測定した。iSHE電圧はNbの超伝導転移温度 Tc 以下で急激に減衰するが、これは準粒子（QP）の電荷不均衡緩和長が著しく短くなるためであり、超伝導状態ではQPを介したスピンから電荷への変換が著しく抑制されることを示している。

ABSTRACT

We quantify the spin Hall angle θSH and spin-diffusion length lsd of Nb from inverse spin Hall effect (ISHE) measurements in Nb/Ni80Fe20 bilayers under ferromagnetic resonance. By varying the Nb thickness tNb and comparing to a Ni80Fe20/Pt reference sample, room temperature values of θSH and lsd for Nb are estimated to be approximately -0.001 and 30 nm, respectively. We also investigate the ISHE as a function of temperature T for different tNb. Above the superconducting transition temperature Tc of Nb, a clear tNb-dependent T evolution of the ISHE is observed whereas below Tc, the ISHE voltage drops rapidly and is below the sensitivity of our measurement setup at a lower T. This suggests the strong decay of the quasiparticle (QP) charge-imbalance relaxation length across Tc, as supported by an additional investigation of the ISHE in a different sample geometry along with model calculation. Our finding suggests careful consideration should be made when developing superconductor spin Hall devices that intend to utilize QP-mediated spin-to-charge interconversion.

研究の動機と目的

• Nb/Ni80Fe20二重積膜を用いた逆スピンホール効果（iSHE）測定により、ニオブ（Nb）のスピンホール角（θSH）およびスピン拡散長（lsd）を定量すること。
• Nbの超伝導転移温度 Tc を超えて温度依存性を調査すること。
• 超伝導スピントロニクスにおける準粒子（QP）を介したスピン輸送の役割を理解すること。
• Tc未満でQPを介したスピンから電荷への変換を実現するNbベースのデバイスの実現可能性を評価すること。

提案手法

• フェロ磁性共鳴（FMR）スピンポンプを用いて、Nb/Ni80Fe20二重積膜に純粋なスピン電流を生成した。
• Nbの厚さ（tNb）および温度（T）を変化させたiSHE電圧を測定し、Ni80Fe20/Pt基準試料と比較した。
• 斜め磁場下でのスピン進化効果から、Nb内のスピン寿命を推定した。
• QPを介したiSHEを記述する理論モデルを構築し、QP抵抗率、スピン拡散長、電荷不均衡の減衰を組み込んだ。
• QPスピンホール角（θSH_Q）に寄与するサイドジャンプおよびスケイ回散メカニズムをモデルに組み込んだ。
• 数値シミュレーションおよびサンプル形状の変更（例：反転したNb/Ni80Fe20およびパターン加工を行わない構造）を用いて、観測されたT依存性iSHE減衰を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb/Ni80Fe20ヘテロ構造を用いたiSHE測定から、室温におけるスピンホール角（θSH）およびスピン拡散長（lsd）の値は何か？
• RQ2 Nb/Ni80Fe20二重積膜におけるiSHE電圧は、超伝導転移温度 Tc を超えて温度にどのように依存するか？
• RQ3 なぜiSHE電圧はTc未満で急激に減衰するのか？その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 準粒子（QP）の電荷不均衡緩和長は、超伝導状態におけるiSHEにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 QP輸送およびスピン軌道結合を組み込んだ理論モデルで、観測されたiSHE挙動を説明できるか？

主な発見

• iSHE測定とNi80Fe20/Pt基準試料との比較から、室温におけるNbのスピンホール角（θSH）は約 −0.001 であると推定された。
• 室温におけるNbのスピン拡散長（lsd）は約 30 nm であると推定された。
• Tcを超える領域では、iSHE電圧がNbの厚さ（tNb）に明確に依存しており、通常状態におけるスピン輸送と整合的である。
• Tc未満では、iSHE電圧が急激に減衰し、低温で検出不能になることが確認され、準粒子（QP）を介したスピンから電荷への変換が著しく抑制されていることが示された。
• 観測された減衰は、超伝導状態におけるQP電荷不均衡緩和長の顕著な短縮に起因するとされ、モデル計算および異なるサンプル形状での追加測定により裏付けられた。
• これらの結果は、QPを介したスピンから電荷への変換に依存する超伝導体ベースのスピンホールデバイスを開発するにあたり、デバイス形状の工夫が不可欠であることを示唆している。