[논문 리뷰] Investigation of the unidirectional spin heat conveyer effect in a 200nm thin Yttrium Iron Garnet film

O. Wid, Jackson J. Bauer외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 04.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 락인 열영상법(LIT)을 사용하여 200 nm 두께의 트리티움철산화물(YIG) 필름에서 비가역적 Damon-Eshbach 스핀 웨이브로 인한 비대칭 온도 프로파일을 유도한 단방향 스핀 열 운반 효과를 입증한다. 얇은 필름임에도 불구하고 LIT는 몇 mK 수준의 온도 차이를 감지하여 이 효과가 여전히 존재하고, 자기장에 의존하는 열전전압이 역스핀홀 효과(ISHE) 신호를 모방할 수 있으므로 ISHE 측정에서 고려해야 한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

We have investigated the unidirectional spin wave heat conveyer effect in sub-micron thick yttrium iron garnet (YIG) films using lock-in thermography (LIT). Although the effect is small in thin layers this technique allows us to observe asymmetric heat transport by magnons which leads to asymmetric temperature profiles differing by several mK on both sides of the exciting antenna, respectively. Comparison of Damon-Eshbach and backward volume modes shows that the unidirectional heat flow is indeed due to non-reciprocal spin-waves. Because of the finite linewidth, small asymmetries can still be observed when only the uniform mode of ferromagnetic resonance is excited. The latter is of extreme importance for example when measuring the inverse spin-Hall effect because the temperature differences can result in thermovoltages at the contacts. Because of the non-reciprocity these thermovoltages reverse their sign with a reversal of the magnetic field which is typically deemed the signature of the inverse spin-Hall voltage.

연구 동기 및 목표

• 이전에 두꺼운 YIG 필름에서 관찰된 단방향 스핀 열 운반 효과가 초박박한 200 nm 두께의 YIG 필름에서도 유지되는지 조사하기 위해.
• Damon-Eshbach 모드의 비가역성에 기인한 비대칭 열 운반 현상이 얇은 필름에서 감지 가능한지 확인하기 위해.
• 스핀 열 운반 효과가 역스핀홀 효과(ISHE) 측정에 미치는 영향을 평가하고, 특히 열전전압이 ISHE 신호로 잘못 해석될 위험을 분석하기 위해.
• 락인 열영상법이 얇은 필름에서 스핀 웨이브의 비가역성으로 인한 미세한 온도 기울기(<1 mK)를 감지하는 데 얼마나 민감한지 평가하기 위해.
• 유한한 선형폭과 상하 표면(공기 및 GGG 기판) 간의 표면 감쇠 차이가 얇은 YIG 필름에서 비대칭 열 운반을 가능하게 하는 역할을 하는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파로 자극된 스핀 웨이브에 의해 유도된 동적 온도 변동을 감지하기 위해 락인 열영상법(LIT)을 사용하였으며, 조절 주파수는 1 Hz, 통합 시간은 5분이었다.
• 전자선 리소그래피 및 금속 증착을 통해 80 µm 신호선 폭과 35 µm 간격을 가진 공면파이프(CPW)를 YIG 필름 위에 제작하였다. (10 nm Ti / 250 nm Ag / 50 nm Au)
• 5 GHz 주파수와 -1 dBm 전력에서 자성공명(FMR) 측정을 수행하여 공명 자기장과 모드를 확인하였으며, 전자석을 통해 자기장을 스위프하였다.
• 적외선 영상은 InSb 검출기(640×512 픽셀)를 사용하여 촬영하였고, 위상 및 복소 성분은 락인 검출을 통해 처리되어 온도 변동 진폭을 추출하였다.
• 표면의 균일한 적외선 방출도 확보 및 신호 대 잡음비 향상을 위해 표면에 잉크로 검은색 처리를 수행하였다.
• Damon-Eshbach 모드( DEM )와 후방 볼륨 모드( BVM )에 대해 온도 프로파일을 비교하기 위해 다수의 자기장 점에서 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 짧은 스핀 웨이브 전파 거리로 인해 열이 축적되지 않는 조건에서도, 200 nm 두께의 YIG 필름에서 단방향 스핀 열 운반 효과가 관찰되는가?
• RQ2 소규모 신호 크기에도 불구하고, 락인 열영상법이 비가역적 스핀 웨이브로 인한 비대칭 온도 프로파일을 해석할 수 있는가?
• RQ3 위상 표면(공기)과 아래쪽 표면(GGG 기판) 간의 유한한 선형폭과 표면 감쇠 차이가 관측된 비대칭에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 스핀 열 운반 효과로 유도된 열전전압이 역스핀홀 효과 측정 결과 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 온도 차이는 비가역적 스핀 웨이브 전파에 기인한 것뿐이며, 균일한 모드 자극도 기여하는가?

주요 결과

• 락인 열영상법을 통해 200 nm 두께의 YIG 필름에서 단방향 스핀 열 운반 효과를 성공적으로 관찰하였으며, 자극 안테나 양측에서 몇 mK 수준의 온도 차이를 감지하였다.
• 비대칭 온도 프로파일은 뚜렷한 공명 피크와 LIT 영상에서의 방향 의존성으로 확인된 비가역적 Damon-Eshbach 모드에 기인한다.
• 짧은 스핀 웨이브 전파 거리로 인해 열이 축적되지 않더라도, 비가역적 스핀 웨이브 전파에 의한 비대칭 에너지 손실로 인해 이 효과는 여전히 감지 가능하다.
• 유한한 선형폭으로 인해 균일 모드와 DEM이 완전히 분리되지 않아 잔여 온도 기울기가 발생하며, 이는 자기장에 의존하는 열전전압을 생성할 수 있다.
• 이 효과로 유도된 열전전압은 1 mK 온도 차이에서 최대 160 nV에 이를 수 있으며, 이는 일반적으로 ISHE 신호와 유사하며, 특히 PEDOT:PSS와 같은 높은 시베크 계수를 가진 재료에서는 더욱 두드러진다.
• 결과적으로, 스핀 열 운반 효과로 유도된 열전전압은 역스핀홀 효과를 모방할 수 있으며, 특히 얇은 필름과 유기 이종구조에서 실험을 수행할 경우 이를 신중히 배제해야 한다.