[논문 리뷰] Auto-oscillations in YIG/Pt microstructures driven by the spin Seebeck effect

V. Lauer, Michael Schneider외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 열기울기로 유도된 스핀 시벡 효과(SSE)에 의해 YIG/Pt 나노와이어에서 자동진동을 입증한다. 여기서 열기울기가 스핀 전달 토크를 유도하여 약 20 ns 내에 공명적인 자화 진동을 유도한다. 이 효과는 SSE에 의해 주입된 면진자에 기인하며, 온도에 따라 변화하는 스핀 혼합 도전도에 의해 조절되며, 스핀 홀 효과의 미미한 기여를 포함한다. 이는 소형 마이크로파 소스의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that a thermal gradient in a nanostructured YIG(66 nm)/Pt(7 nm) bilayer can trigger coherent spin dynamics in the YIG layer due to a spin Seebeck effect (SSE) induced spin-transfer torque (STT). The experiment is performed on a 4 {\mu}m long and 475 nm wide YIG/Pt nanowire at room temperature. Magnetization precession is excited by applying 50 ns long dc pulses to the structure, and detected using Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy. SSE-driven magnetization auto-oscillations appear on a short time scale of around 20 ns, afterwards the BLS signal decays again. The observed behavior is caused by the interplay of the SSE, which depends on the thermal gradient, with effects depending on the absolute temperature, e.g., the spin mixing conductance. Numerical simulations show that the thermal gradient saturates within a few nanoseconds, but the absolute temperature of the system steady increases during the dc pulse. Moreover, the experimental data demonstrate a small contribution from the spin Hall effect. Our findings suggest the generation of a coherent precession state from incoherent SSE-injected magnons and reveal an application potential for microwave sources at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 스핀 시벡 효과(SSE)에 의해 구동되는 YIG/Pt 나노구조에서의 공명적 스핀 동역학을 조사하기 위해.
• 자기적 기울기와 온도에 따라 변화하는 스핀 운반성질 간의 상호작용이 자동진동을 생성하는 방식을 이해하기 위해.
• 스핀 시벡 효과(SSE)가 스핀 전류 생성에 기여하는 바를 스핀 홀 효과 등 경쟁 효과와 구별하기 위해.
• 나노구조 이종구조에서 SSE에 의해 유도된 면진자 주입을 통해 공명적인 마이크로파 신호를 생성할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 실온에서 실험을 위해 4 µm 길이, 475 nm 너비의 YIG(66 nm)/Pt(7 nm) 나노와이어가 제작되었다.
• 50 ns의 직류 펄스를 적용하여 이중층 구조를 관통하는 열기울기를 생성하였다.
• 자화 진동을 검출하기 위해 브릴루아인 빛산란(BLS) 분광법을 사용하여 동적 반응을 관찰하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 직류 펄스 동안 열기울기의 변화와 온도 상승을 모델링하였으며, 약 2 ns 내에 포화 상태에 도달함을 확인하였다.
• 시스템의 반응을 분석하여 스핀 시벡 효과와 스핀 홀 효과의 기여를 분리하였다.
• 관측된 BLS 신호의 감쇠를 설명하기 위해 시뮬레이션에 온도에 따라 변화하는 스핀 혼합 도전도를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 시벡 효과(SSE)는 실온에서 열기울기 조건 하에 YIG/Pt 나노와이어에서 공명적 자동진동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 직류 펄스 동안 열기울기의 변화와 온도 상승이 자화 진동의 발생과 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 스핀 전류 생성에 있어 스핀 시벡 효과(SSE)가 스핀 홀 효과보다 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 온도에 따라 변화하는 스핀 운반성질, 예를 들어 스핀 혼합 도전도 등이 SSE에 의해 유도된 자동진동의 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 50 ns의 직류 펄스를 가한 지 약 20 ns 이내에 스핀 시벡 효과(SSE)에 의해 유도된 공명적 자화 진동이 관측되었다.
• BLS 신호는 초도 진동 이후 감쇠됨을 보여, 일시적인 자동진동 행동임을 시사한다.
• 시스템 내 열기울기는 약 2 ns 내에 포화 상태에 도달하였으며, 이와 동시에 구조의 절대 온도는 펄스 기간 동안 지속적으로 상승하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 열기울기와 온도에 따라 변화하는 스핀 혼합 도전도 간의 상호작용이 관측된 동역학을 지배함을 확인하였다.
• 스핀 홀 효과의 기여는 미미하지만 측정 가능했으며, 이는 SSE에 의해 유도된 메커니즘에 비해 보조적인 역할을 하였다.
• 결과적으로, SSE를 통해 비공명적으로 주입된 면진자가 공명적인 진동 상태의 발생을 이끌 수 있음을 입증하였으며, 이는 향후 마이크로파 소스 응용 가능성을 시사한다.