[논문 리뷰] Do thermal effects always contribute to spin pumping signals

Paul Noël, Maxen Cosset‐Chéneau외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 02.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 페로자성 공명 실험에서 열 효과와 진정한 스핀 펌프링을 구별하기 위해 시간해상도를 가진 볼로미터-스핀 펌프링 비교 방법을 제안한다. 캐비티를 사용하여 동일한 Pt/NiFe 및 LSMO/Pt 샘플에서 열 신호와 스핀 신호를 측정한 결과, 스핀 시벡 또는 비정상적인 네르니스트 효과와 같은 열전기 효과의 측정 가능한 기여가 없음을 발견하여, 관측된 신호가 순수하게 스핀 펌프링에서 기인한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Spin pumping by ferromagnetic resonance is one of the most common technique to determine spin hall angles, Edelstein lengths or spin diffusion lengths of a large variety of materials. In recent years, rising concerns have appeared regarding the interpretation of these experiments, underlining that the signal could arise purely from thermoelectric effects, rather than from spin pumping and spin-charge interconversion. Here, we propose a method to evaluate the presence or absence of thermal effects in spin pumping signals, by combining bolometry and spin pumping by ferromagnetic resonance measurements, and comparing their timescale. Using a cavity to perform the experiments on Pt\NiFe and LSMO\Pt samples, we conclude on the absence of any measurable thermoelectric contribution such as the spin Seebeck and Anomalous Nernst effects.

연구 동기 및 목표

• 스핀 펌프링 신호가 실제로는 스핀 시벡 또는 비정상적인 네르니스트 효과와 같은 열전기 효과에서 기인할 수 있다는 점점 커지는 우려를 해결하기 위해.
• 페로자성 공명 측정에서 열 기여와 진정한 스핀 펌프링을 실험적으로 구별할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 열 아티팩트를 제거함으로써 스핀 홀 각도, 에델슈타인 길이, 스핀 확산 길이 측정의 해석을 검증하기 위해.

제안 방법

• Pt/NiFe 및 LSMO/Pt 이중층에 대해 마이크로파 캐비티를 사용하여 페로자성 공명 기반 스핀 펌프링 실험을 수행한다.
• 고시간해상도로 볼로미터를 사용하여 동시에 열 신호를 측정하여 시간 상관관계를 비교한다.
• 스핀 펌프링 및 열 신호의 시간에 따른 변화를 분석하여 열전기 효과의 임의의 중첩 또는 기여 여부를 확인한다.
• 스핀 반응과 열 반응 간의 시간적 분리 정도를 진단 도구로 사용하여 열 아티팩트를 배제한다.
• 여러 샘플을 통해 스핀 펌프링 및 볼로미터 신호의 진폭과 동역학을 비교하여 비열 기여를 분리한다.
• 스핀 시벡 및 비정상적인 네르니스트 효과와 같은 측정 가능한 열전기 효과가 관측된 신호에 없음을 중점적으로 다룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 시벡 또는 비정상적인 네르니스트 효과와 같은 열 효과가 페로자성 공명 실험에서 스핀 펌프링과 구분되지 않는 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 스핀 홀 재료 이중층에서 열 효과의 시간적 특징은 스핀 펌프링과 어떻게 다를까?
• RQ3 열전기 기여는 보고된 스핀 홀 각도 및 스핀 확산 길이 측정에 어느 정도 오염을 초래하는가?
• RQ4 시간해상도 볼로미터를 사용하여 스핀 펌프링 실험에서 열 아티팩트를 확실히 배제할 수 있는가?
• RQ5 Pt/NiFe 및 LSMO/Pt 이중층에서 관측된 신호는 진정으로 스핀 펌프링 때문인지, 아니면 온도 기울기에서 기인하는 것일까?

주요 결과

• Pt/NiFe 및 LSMO/Pt 이중층의 스핀 펌프링 신호에서 측정 가능한 열전기 기여가 발견되지 않았다.
• 볼로미터 측정과의 시간해상도 비교를 통해 스핀 시벡 및 비정상적인 네르니스트 효과의 부재가 확인되었다.
• 스핀 펌프링 및 열 신호의 시간 동역학이 상이하여 두 효과를 명확히 분리할 수 있었다.
• 이 연구는 이러한 물질에서 보고된 스핀 펌프링 신호가 열 효과의 아티팩트가 아니라는 것을 확인했다.
• 제안된 방법은 스핀 펌프링을 열 기여에서 성공적으로 분리하여 이전의 스핀 홀 각도 및 스핀 확산 길이 측정의 타당성을 뒷받침했다.
• 결과는 이러한 시스템에서 스핀 운반 매개변수를 추출하기 위해 스핀 펌프링 기법을 신뢰할 수 있는 방법으로 사용할 수 있음을 검증한다.