[논문 리뷰] Generation of femtosecond spin current pulses via non-thermal spin-dependent Seebeck effect and their interaction with ferromagnets in spin valves

Alexandr Alekhin, Ilya Razdolski외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 11.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 비열적 스핀에 의존하는 시ーベ크 효과를 이용하여 Fe/Au/Fe/MgO(001) 허위 스핀 밸브에서 250 fs 길이의 스핀 전류 펄스를 생성함을 보여준다. 초단파 펄스 지속시간은 레이저에 의해 자극된 열화된 전자들이 Fe에서 열화하는 데 소요되는 시간에 기인하며, 100 nm 미만의 Au 층을 통해 초과도적 운반(스퍼도디퓨지브)이 발생하여 궁극적으로 기하학적 최대 운반 한계에 가까워지며, 스핀의 회전은 Au/Fe 인터페이스에서 비동축 자기화에 의해 발생한다.

ABSTRACT

Using the sensitivity of magneto-induced second harmonic generation to spin currents (SC), we demonstrate in Fe/Au/Fe/MgO(001) pseudo spin valves the generation of 250 fs-long SC pulses. Their temporal profile indicates that superdiffusive hot electron transport across a sub-100~nm Au layer is close to the ballistic limit and the pulse duration is primarily determined by the thermalization time of laser-excited hot carriers in Fe. Considering the calculated spin-dependent Fe/Au interface transmittance we conclude that a non-thermal spin-dependent Seebeck effect is responsible for the generation of ultrashort SC pulses. We also show that hot electron spins rotate upon interaction with non-collinear magnetization at the Au/Fe interface, which holds high potential for future spintronic devices.

연구 동기 및 목표

• 초고속 레이저 자극을 이용한 스핀 밸브 구조에서 초단파 스핀 전류 펄스 생성을 조사하기 위해.
• Fe/Au/Fe/MgO(001) 이종구조에서 250 fs 이하의 스핀 전류 펄스의 물리적 기원을 규명하기 위해.
• 이러한 펄스 생성에 기여하는 비열적 스핀에 의존하는 시보크 효과의 역할을 분석하기 위해.
• 100 nm 이하의 Au 층을 통한 스핀 전류 운반 동역학을 분석하고, 이가 확산 운반에서 얼마나 벗어나는지 평가하기 위해.
• 초고속 스핀트로닉스의 맥락에서 비동축 자기화에 의해 발생하는 Au/Fe 인터페이스에서의 스핀 회전을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 초고속 레이저 자극을 통해 Fe 계층을 자극하여 뜨거운 전자 운반자를 생성하기 위해.
• 고시간 해상도 및 스핀 감도를 갖춘 자화 유도 고조파 발생(MSHG)을 사용하여 스핀 전류를 검출하기 위해.
• Au 층을 통과하는 스핀 전류의 시간 프로파일 측정을 통해 운반 동역학을 추론하기 위해.
• Fe/Au 인터페이스에서의 스핀에 의존하는 표면 투과도 분석을 통해 비열적 시보크 효과 기여도를 평가하기 위해.
• 관측된 펄스 지속시간과 관련된 Fe 내 뜨거운 전자 열화 시간을 모델링하기 위해.
• 비동축 자기화 조건 하에서 MSHG를 활용하여 Au/Fe 인터페이스에서의 스핀 회전을 조사하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe/Au/Fe/MgO(001) 허위 스핀 밸브에서 초단파 스핀 전류 펄스(250 fs)의 기원은 무엇인가요?
• RQ2 100 nm 이하의 Au 층을 통한 초과도적 운반은 어느 정도 기하학적 최대 운반 한계에 도달하는가요?
• RQ3 비열적 스핀에 의존하는 시보크 효과는 이 시스템에서 스핀 전류 생성에 어떤 기여를 하는가요?
• RQ4 Fe 내 뜨거운 운반자의 열화 시간은 펄스 지속시간 결정에 어떤 역할을 하는가요?
• RQ5 Au/Fe 인터페이스에서 비동축 자기화와 상호작용할 때 뜨거운 전자 스핀은 어떻게 진화하는가요?

주요 결과

• 초고속 레이저 자극을 통해 Fe/Au/Fe/MgO(001) 허위 스핀 밸브에서 초단파 250 fs 스핀 전류 펄스를 성공적으로 생성하였다.
• 펄스 지속시간은 주로 레이저에 의해 자극된 뜨거운 전자들이 Fe에서 열화하는 데 소요되는 시간에 의해 결정되며, Au 층을 통한 운반에 의해 결정되지 않는다.
• 100 nm 이하의 Au 층을 통과하는 스핀 전류 운반은 기하학적 최대 운반 한계에 가까운 초과도적 운반 특성을 보였다.
• 비열적 스핀에 의존하는 시보크 효과가 스핀 전류 생성의 주요 메커니즘이라고 규명되었다.
• 뜨거운 전자 스핀은 비동축 자기화가 존재하는 Au/Fe 인터페이스에서 상호작용함에 따라 회전을 겪었으며, 이는 초고속 장치에서의 스핀 제어 가능성을 시사한다.
• 계산된 스핀에 의존하는 표면 투과도는 전통적인 열 기울기보다 비열적 시보크 효과의 기여가 더 크다는 것을 뒷받침한다.