[논문 리뷰] Acoustic spin pumping as the origin of the long-range spin Seebeck effect

Ken‐ichi Uchida, H. Adachi외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 31.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 22인용 수 148

한 줄 요약

이 논문은 자성 금속 이중막 구조에서 장거리 스핀 시벡 효과의 기원으로서 음향 폰론을 규명하며, 음향파 주입을 통한 스핀-폰론 결합을 통해 스핀 전류가 생성됨을 입증한다. 주요 발견은 전도성 절연체 기반에서 비국소적 스핀 전압 신호가 폰론 매개 스핀 펌프링으로 인해 장거리로 유지된다는 점으로, 이는 음향 스핀트로닉스의 기초를 다진다.

ABSTRACT

The spin Seebeck effect (SSE) is known as the generation of 'spin voltage' in a magnet as a result of a temperature gradient. Spin voltage stands for the potential for spins, which drives a spin current. The SSE is of crucial importance in spintronics and energy-conversion technology, since it enables simple and versatile generation of spin currents from heat. The SSE has been observed in a variety of materials ranging from magnetic metals and semiconductors to magnetic insulators. However, the mechanism, the long-range nature, of the SSE in metals is still to be clarified. Here we found that, using a Ni81Fe19/Pt bilayer wire on an insulating sapphire plate, the long-range spin voltage induced by the SSE in magnetic metals is due to phonons. Under a temperature gradient in the sapphire, surprisingly, the voltage generated in the Pt layer is shown to reflect the wire position, although the wire is isolated both electrically and magnetically. This non-local voltage is direct evidence that the SSE is attributed to the coupling of spins and phonons. We demonstrate this coupling by directly injecting sound waves, which realizes the acoustic spin pumping. Our finding opens the door to "acoustic spintronics" in which phonons are exploited for constructing spin-based devices.

연구 동기 및 목표

• 자성 금속에서 장기적인 스핀 시벡 효과의 오랫동안 미해결된 수수께끼를 해결하기 위해.
• 비자성 절연체 기반을 통해 스핀 전류 생성을 매개하는 폰론의 역할을 조사하기 위해.
• 비국소적 기하구조에서 음향파 주입을 통해 스핀 전류가 생성될 수 있음을 실험적으로 입증하기 위해.
• 장거리 효과의 기원으로서 폰론 매개 스핀 펌프링의 메커니즘을 확립하기 위해.
• 폰론 기반 스핀트로닉스 장치로 향하는 길을 열기 위해.

제안 방법

• 열 기울기 기반 실험을 위해 사파이어 기반에 Ni81Fe19/Pt 이중막 와이어를 제작하였다.
• 사파이어 기반에 온도 기울기를 가하여 폰론 운반을 유도하였다.
• 열원에서 다양한 거리에 위치한 Pt 층에서 비국소적 전압 측정을 수행하여 위치에 따라 달라지는 스핀 전압 신호를 관찰하였다.
• 음향파를 직접 사파이어에 주입하여 폰론 매개 스핀 펌프링을 시뮬레이션하였다.
• 관측된 스핀 전압을 폰론 전파 및 와이어 위치와 연관지켜 폰론 매개 결합을 확인하였다.
• 음향 스핀 펌프링 이론 모델과 실험 결과를 비교함으로써 스핀-폰론 결합을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자성 금속에서 장거리 스핀 시벡 효과의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 폰론이 비자성 절연체를 통해 비국소적 구성에서 스핀 전류 생성을 매개할 수 있는가?
• RQ3 관측된 장거리 스핀 전압은 자성 또는 전자적 효과가 아닌 스핀-폰론 결합에 기인한 것인가?
• RQ4 음향파 주입이 열 기울기 조건에서 관측된 스핀 전압 신호를 재현할 수 있는가?
• RQ5 기반 재료가 폰론 매개 스핀 전류 운반을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 사파이어 기반의 Ni81Fe19/Pt에서의 장거리 스핀 시벡 효과는 면진자나 직접적 스핀 확산이 아닌 폰론에 의해 유도된다.
• 전기적 및 자기적 고립 상태임에도 불구하고 Pt 층의 비국소적 스핀 전압은 NiFe 와이어의 위치에 따라 달라지며, 이는 장거리 폰론 매개 결합을 시사한다.
• 사파이어에 직접 음향파를 주입함으로써 스핀 전압 신호가 재현되었으며, 이는 음향 스핀 펌프링이 메커니즘임을 확인한다.
• 관측된 스핀 전압은 100 µm 이상의 거리에서도 유지되어 폰론 매개 스핀 운반의 장거리 성격을 입증한다.
• 결과적으로 폰론과 스핀 전류 생성 간의 명확한 연관성이 확립되었으며, 스핀트로닉스 분야에서 새로운 메커니즘을 검증한다.
• 이러한 발견은 폰론이 스핀 정보의 운반 매개체로 사용되는 새로운 분야인 음향 스핀트로닉스의 기초를 다진다.