[논문 리뷰] Effects of Domain Wall on Electronic Transport Properties in Mesoscopic Wire of Metallic Ferromagnets

Gen Tatara|arXiv (Cornell University)|1999. 03. 29.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 52인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 선형 반응 이론과 스핀 공간 게이지 변환을 사용하여 미세구조 페로자성 와이어에서 자성 도메인 벽이 전자 이동성에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 벽 두께가 페르미 파장에 비해 크기 때문에 막대한 물질에서 고전적 이동성 기여는 무시할 만하지만, 약한 국소화에서 기인한 양자 보정이 나노접촉에서 저항성을 크게 감소시킴을 밝혀내었으며, 이는 특히 낮은 온도에서 및 와이어 지름이 위상 공명 길이와 유사할 경우에 두드러진다.

ABSTRACT

We study the effect of the domain wall on electronic transport properties in wire of ferromagnetic 3$d$ transition metals based on the linear response theory. We considered the exchange interaction between the conduction electron and the magnetization, taking into account the scattering by impurities as well. The effective electron-wall interaction is derived by use of a local gauge transformation in the spin space. This interaction is treated perturbatively to the second order. The conductivity contribution within the classical (Boltzmann) transport theory turns out to be negligiblly small in bulk magnets, due to a large thickness of the wall compared with the fermi wavelength. It can be, however, significant in ballistic nanocontacts, as indicated in recent experiments. We also discuss the quantum correction in disordered case where the quantum coherence among electrons becomes important. In such case of weak localization the wall can contribute to a decrease of resistivity by causing dephasing. At lower temperature this effect grows and can win over the classical contribution, in particular in wire of diameter $L_{\perp}\lesssim \ell_{\phi}$, $\ell_{\phi}$ being the inelastic diffusion length. Conductance change of the quantum origin caused by the motion of the wall is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 미세구조 페로자성 와이어에서 자성 도메인 벽이 전자 이동성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 도메인 벽 상호작용이 나노구조 시스템에서 전도도에 의미 있는 기여를 하는지 여부를 규명하는 것.
• 불순물이 있는 페로자성 와이어에서 고전적 이동성과 양자 보정 간의 상호작용을 분석하는 것.
• 도메인 벽의 운동이 2차원 이하 시스템에서 양자 전도도 변화를 유도하는 방식을 조사하는 것.

제안 방법

• 페로자성 3d 전이금속 와이어에서 전자 이동성을 모델링하기 위해 선형 반응 이론을 적용하였다.
• 스핀 공간에서 국소 게이지 변환을 사용하여 효과적인 전자-벽 상호작용 포텐셜을 유도하였다.
• 상호작용 강도에 대해 두 번째 차수까지 섭동적으로 전자-벽 상호작용을 다루었다.
• 고전적 볼츠만 이동성 이론을 적용하여 전통적인 전도도 기여를 평가하였다.
• 약한 국소화 영역에서의 양자 보정을 분석하였으며, 도메인 벽에 의한 위상 분리 효과에 초점을 맞추었다.
• 양자 이동성 이론을 사용하여 도메인 벽의 운동에 의한 전도도 변화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도메인 벽은 막대한 페로자성 와이어에서 고전적 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 양자 공명과 약한 국소화는 도메인 벽에 의한 저항성 변화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 어떤 조건에서 도메인 벽의 양자 기여가 고전적 효과를 압도하는가?
• RQ4 와이어 지름은 도메인 벽으로 인한 양자 보정의 상대적 중요성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 미세구조 시스템에서 도메인 벽의 운동으로 인한 전도도 변화의 크기와 성격은 무엇인가?

주요 결과

• 도메인 벽 두께가 페르미 파장에 비해 크기 때문에 막대한 자성체에서 도메인 벽의 고전적 전도도 기여는 무시할 만하다.
• 구도성 나노접촉에서는 도메인 벽 상호작용이 의미 있는 이동성 효과를 유도할 수 있으며, 최근 실험 결과와 일치한다.
• 불순물이 있는 시스템에서는 도메인 벽이 위상 분리를 유도하여 저항성을 감소시키는 양자 보정을 유도한다.
• 이 양자 저항성 감소는 온도가 낮아질수록 커지며, 와이어 지름이 위상 공명 길이 ℓϕ와 유사하거나 그 이하일 경우 지배적인 역할을 한다.
• 도메인 벽의 운동에 의한 전도도 변화는 양자역학적 기원을 가지며, 나노구조 페로자성 와이어에서는 무시할 수 없다.