[논문 리뷰] Magnon transport and thermoelectric effects in ultrathin Tm3 Fe5 O12 /Pt nonlocal devices

Gao Jialiang, Charles‐Henri Lambert외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 27.

Magnetic properties of thin films인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 조화 전압 측정을 통해 초박공한 Tm3Fe5O12/Pt 비국소 장치에서 면역파 운반 및 열전기 효과를 조사한다. 연구는 면역파 기반 신호와 열전기 기여를 분리하여, 0.5 T에서 약 ~0.3 µm의 자기장 의존성 면역파 확산 길이를 규명하였고, 이는 감소된 기림 감쇠로 인해 0.8 T에서 약 ~0.2 µm로 감소함을 확인하였다. 또한 두 번째 조화 응답에서 다섯 가지 별개의 열전기 효과를 규명하였다.

ABSTRACT

The possibility of electrically exciting and detecting magnon currents in magnetic insulators has opened exciting perspectives for transporting spin information in electronic devices. However, the role of the magnetic field and the nonlocal thermal gradients on the magnon transport remain unclear. Here, by performing nonlocal harmonic voltage measurements, we investigate magnon transport in perpendicularly magnetized ultrathin Tm3Fe5O12 (TmIG) films coupled to Pt electrodes. We show that the first harmonic nonlocal voltage captures spin-driven magnon transport in TmIG, as expected, and the second harmonic is dominated by thermoelectric voltages driven by current-induced thermal gradients at the detector. The magnon diffusion length in TmIG is found to be on the order of 0.3 μm at 0.5 T and gradually decays to 0.2 μm at 0.8 T, which we attribute to the suppression of the magnon relaxation time due to the increase of the Gilbert damping with field. By performing current, magnetic field, and distance dependent nonlocal and local measurements we demonstrate that the second harmonic nonlocal voltage exhibits five thermoelectric contributions, which originate from the nonlocal spin Seebeck effect and the ordinary, planar, spin, and anomalous Nernst effects. Our work provides a guide on how to disentangle magnon signals from diverse thermoelectric voltages of spin and magnetic origin in nonlocal magnon devices, and establish the scaling laws of the thermoelectric voltages in metal/insulator bilayers.

연구 동기 및 목표

• 초박공한 자성 절연체/중금속 이중막에서 면역파 운반과 열전기 효과의 상호작용을 명확히 하기 위해.
• 전류에 의해 유도된 열기울기로 인한 비국소 면역파 신호와 열전기 전압을 구분하는 데서 발생하는 애매함을 해결하기 위해.
• 수직 자화를 갖는 Tm3Fe5O12 필름에서 면역파 확산 길이의 자기장 의존성을 정량화하기 위해.
• 비국소 장치에서 다섯 가지 별개의 열전기 기여—비국소 스핀 시벡, 일반, 평면형, 스핀, 그리고 비정상적 네르니스트 효과—를 식별하고 분리하기 위해.
• 비국소 기하구조에서 금속/절연체 이중막의 열전기 전압에 대한 스케일링 법칙을 수립하여 명확한 신호 식별을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 다양한 주입기-검출기 거리로 패턴화된 Pt/Tm3Fe5O12/Pt 장치에서 비국소 조화 전압 측정을 수행하였다.
• 전류, 자기장 및 각도 의존성 측정을 통해 면역파 운반과 열전기 효과의 기여를 분리하였다.
• 첫 번째 조화 전압을 이용하여 지수 감쇠 분석을 통해 면역파 확산 길이를 추출하였다.
• 두 번째 조화 전압을 분석하여 다섯 가지 열전기 기여—비국소 스핀 시벡, 일반 네르니스트, 평면형 네르니스트, 스핀 네르니스트, 비정상적 네르니스트 효과—를 식별하고 분리하였다.
• 자기장 및 거리 의존성 측정을 통해 근접 효과로 유도된 신호(예: 평면형 네르니스트 효과)와 스핀 기원 효과(예: 스핀 네르니스트 효과)를 구분하였다.
• 기림 감쇠 현상학적 모델링을 사용하여 자기장 의존성 확산 길이 감소를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장은 초박공한 Tm3Fe5O12 필름에서 면역파 확산 길이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 비국소 열기울기로 유도된 열전기 전압이 두 번째 조화 응답에서 얼마나 지배적인가?
• RQ3 어떤 열전기 효과가 두 번째 조화 전압에 기여하며, 이를 면역파 기반 신호와 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 비국소 장치에서 근접 효과로 유도된 열전기 효과(예: 평면형 네르니스트 효과)와 스핀 기원 효과(예: 스핀 네르니스트 효과)는 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ5 비국소 기하구조에서 금속/절연체 이중막의 열전기 전압을 지배하는 스케일링 법칙은 무엇인가?

주요 결과

• Tm3Fe5O12에서 면역파 확산 길이는 0.5 T에서 약 ~0.3 µm에서 시작해, 기전감쇠로 인한 면역파 생애시간 감소로 인해 0.8 T에서 약 ~0.2 µm로 감소한다.
• 첫 번째 조화 응답 비국소 전압은 스핀 기반 면역파 운반을 신뢰성 있게 캡처하여, 확산 면역파 전류의 존재를 확인한다.
• 두 번째 조화 응답 비국소 전압는 장거리 면역파 확산이 아니라, 검출기에서 전류에 의해 유도된 열기울기로 인한 열전기 전압에 의해 지배된다.
• 두 번째 조화 응답에서 다섯 가지 별개의 열전기 기여가 확인되었다: 비국소 스핀 시벡, 일반 네르니스트, 평면형 네르니스트, 스핀 네르니스트, 비정상적 네르니스트 효과.
• 각도, 자기장, 전류 및 거리 의존성 실험을 통해 자기기원 및 스핀 기원 열전기 효과를 명확히 분리할 수 있었다.
• 이 연구는 비국소 면역파 장치에서 면역파 신호와 열전기 잡음 간의 명확한 분리를 위한 프레임워크를 수립하였다.