[論文レビュー] Time resolved spin Seebeck eect experiments as a probe of magnon-phonon thermalization time

Niklas Roschewsky, Michael Schreier+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2013

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、時間分解型スピン・ゼーベック効果実験と変調されたレーザー加熱を用いて、イットリウム鉄ガーネット（YIG）におけるミソン-フォノン熱平衡化時間を探る。周波数依存のスピン電圧応答を測定することで、室温における有効ミソン-フォノン散乱時間の下限が37 MHzであることが明らかになった。これは、YIGにおけるスピン励起状態と格子励起状態が平衡化するまでの時間スケールを示している。

ABSTRACT

We investigate magnon-phonon interaction times in the ferrimagnetic insulator yttrium iron garnet by meansof time-resolved spin Seebeck effect experiments. To this end we use an intensity modulated laser beamwhich generates a time-varying thermal gradient across yttrium iron garnet/normal metal thin film stacks.The ensuing spin Seebeck voltage exhibits a characteristic drop for frequencies in the megahertz regime,owing to the low-pass-behavior of our measurement circuit. The maximum low-pass cutoff frequency of37MHz, observed in our samples at room temperature, puts a lower limit to the magnon-phonon scatteringtime relevant for the spin Seebeck effect in our samples. Since the uniform magnetization precession mode(

研究の動機と目的

• 超高速熱勾配を用いたフェリマグネティック絶縁体におけるミソン-フォノン相互作用時間の調査。
• イットリウム鉄ガーネット（YIG）におけるミソンとフォノンの間の熱平衡化時間スケールの特定。
• スピン・ゼーベック効果に関連するミソン-フォノン散乱時間の下限を確立すること。
• 時間領域での熱励起を用いたスピン電流生成のダイナミクスの調査。

提案手法

• 変調されたレーザービームがYIG/通常金属ヘテロ構造を貫いて時間的に変化する熱勾配を生成する。
• 得られるスピン・ゼーベック電圧をモジュレーション周波数の関数として測定する。
• 測定回路はローパスフィルタリングの挙動を示し、検出可能な周波数応答を制限する。
• 室温における37 MHzのカットオフ周波数が電圧の低下から抽出された。
• カットオフ周波数はミソン-フォノン散乱時間の下限と解釈された。
• 解析では、均一な磁化進動モードがスピン電流生成の主要因であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱励起下でのYIGにおけるミソン-フォノン熱平衡化の時間スケールは何か？
• RQ2 スピン・ゼーベック電圧の周波数応答は、ミソン-フォノン散乱時間にどのように制限を加えるか？
• RQ3 YIGベースのヘテロ構造におけるスピン・ゼーベック信号の帯域幅は何によって制限されているか？
• RQ4 測定回路のローパス挙動が観測された周波数応答にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 スピン・ゼーベック効果は、内在的なスピン-格子緩和ダイナミクスをプローブするのに用いられるか？

主な発見

• スピン・ゼーベック電圧応答は37 MHzを超える周波数で減衰し、測定システムにおけるローパスフィルタリング効果を示している。
• 室温における37 MHzのカットオフ周波数は、研究対象のYIG試料におけるミソン-フォノン散乱時間の下限を示している。
• 観測された周波数応答は、系内におけるミソンとフォノンの熱平衡化ダイナミクスと整合的である。
• 均一な磁化進動モードが観測周波数帯域におけるスピン電流の主な供給源である。
• YIGにおけるミソン-フォノン散乱時間は数十ナノ秒またはそれ以上である可能性がある。
• 本研究では、時間分解型スピン・ゼーベック実験が内在的なスピン-格子緩和時間の抽出に用いられることを示した。