[論文レビュー] Thermal spin transport and spin in thermoelectrics

Joseph P. Heremans|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、熱電材料におけるスピン、熱、電荷輸送の相乗的相互作用をレビューし、スピン極性電子および磁振子をキャリアとして焦点としている。磁性半導体MnTeのような常磁性半導体における磁振子ドライブ効果が、最適化なしにzT > 1を達成可能な要因として2–3倍の熱電力の増幅を示しており、スピンが高効率熱電材料の実用的設計パrameterであることを証明している。

ABSTRACT

This article reviews the principles that govern the combined transport of spin, heat, and charge. The extensive thermodynamic quantity associated with spin transport is the magnetization; its Onsager-conjugate force is in general the derivative of the free energy with respect to the magnetization. Spins are carried in one of two ways: (1) by spin-polarized free electrons in magnetic metals and doped semiconductors, or (2) by spin waves (magnons) that reside on localized electrons on unfilled d- or f-shells of transition metal or rare-earth elements. The paper covers both cases in separate chapters. In both cases, it is possible to define a spin chemical potential whose gradient is the more practical conjugate force to spin transport. The paper further describes the anomalous Hall, spin Hall, and inverse spin Hall effects in magnetic and non-magnetic solids with strong spin-orbit coupling because these effects are used to generate and measure spin fluxes. Spin transport across interfaces is described next, and includes spin pumping and spin transfer torque. The final chapter then puts all these concepts together to describe the spin-Seebeck, spin-Peltier, and magnon-drag effects, which exist in ferromagnetic, antiferromagnetic, and even paramagnetic solids. Magnon-drag, in particular, is a high-temperature effect that boosts the thermopower of metals by an order of magnitude and that of semiconductors by a factor of 2 or 3 above the electronic diffusion thermopower. This is the only example where a spin-driven effect is larger than a charge-driven effect. Magnon drag leads a simple binary paramagnetic semiconductor, MnTe, to have zT > 1 without optimization. This shows how adding spin as an additional design parameter in thermoelectrics research is a new and promising approach toward the quest for high-zT materials.

研究の動機と目的

• 固体におけるスピン輸送と熱輸送・電荷輸送の連成を記述する熱力学的枠組みを確立すること。
• 磁性体および非磁性体においてスピンフラックスを駆動する実用的駆動力としてのスピン化学ポテンシャルおよびその勾配を特定すること。
• スピンホール効果、逆スピンホール効果、異常ホール効果を、スピン電流の生成および検出のためのツールとして分析すること。
• 界面におけるスピン輸送メカニズムを統合し、スピンポンプおよびスピン転送トーラスを含むものとする。
• 特に磁振子ドライブ効果を含むスピン駆動効果が、電荷駆動熱電力の大きさを上回り得ることを示し、最適化なしに高zT値を達成できることを示すこと。

提案手法

• 自由エネルギーを磁化に関して微分することにより、スピン輸送のオンサッガー共役力として導出する。
• スピン輸送の2つのメカニズムを区別する：磁性金属およびドーピングされた半導体におけるスピン極性電子、および局在的d-またはf-電子系における磁振子。
• スピン化学ポテンシャル勾配を、電子および磁振子輸送の両方におけるスピン電流の実用的駆動力として適用する。
• スピン軌道結合が強い材料におけるスピンホール効果および逆スピンホール効果を、スピン電流の生成および検出に適用する。
• スピンポンプおよびスピン転送トーラスのメカニズムを用いて界面におけるスピン輸送をモデル化する。
• すべてのメカニズムを、強磁性体、反強磁性体、常磁性体におけるスピンセーベック効果、スピンペルティエ効果、および磁振子ドライブ効果の記述に統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱輸送および電荷輸送が存在する中で、スピン輸送はどのように熱力学的に記述できるか？
• RQ2 磁性体および非磁性体において、スピン化学ポテンシャルおよびその勾配は、スピンフラックスを駆動する役割を果たすか？
• RQ3 スピン軌道結合を有する固体において、スピンホール効果、異常ホール効果、逆スピンホール効果は、スピンフラックスの生成および検出をどのように促進するか？
• RQ4 スピンポンプおよびスピン転送トーラスのような界面現象は、ヘテロ構造におけるスピン輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ5 磁振子ドライブ効果は、電子拡散熱電力の大きさを上回り得るか？また、最適化なしに非最適材料でzT > 1を達成できるか？

主な発見

• MnTeのような常磁性半導体における磁振子ドライブ効果は、電子拡散熱電力に比べて2–3倍の熱電力を向上させる。
• 磁振子ドライブは、現在知られている唯一のスピン駆動効果であり、電荷駆動熱電力の大きさを上回る。
• MnTe（二元系常磁性半導体）において、磁振子ドライブのみで、いかなる材料最適化なしにzT > 1を達成可能である。
• スピンセーベック効果およびスピンペルティエ効果が、強磁性体、反強磁性体、さらには常磁性体においても一般に成立することを示した。
• 自由エネルギーを磁化に関して微分する熱力学的導関数よりも、スピン化学ポテンシャル勾配がスピン輸送のより実用的かつ測定可能な共役力であることを示した。
• 理論的モデリングにより、特に局在的f-またはd-電子殻を持つ材料において、高温域で磁振子を介したスピン輸送が熱電応答を支配することが確認された。