[논문 리뷰] Origin of the spin Seebeck effect probed by temperature dependent measurements in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$

Stephan Geprägs, Andreas Kehlberger외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 20.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다중자기체 Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 이방성 구조에서 온도에 따라 변화하는 스핀 세베크 효과(SSE)를 조사하여, 철(Fe)과 gadolinium(Gd) 자성 격자에 기인한 두 가지 상이한 부호 전환이 발생하는 것을 규명하였다. 280 K 근처에서의 첫 번째 급격한 부호 전환은 자성 보상점에서 철 격자의 재정렬과 관련된 것으로, 이는 이 온도 범위에서 철 격자가 스핀 전류를 지배함을 시사한다. 두 번째 부드러운 부호 전환은 약 65–85 K에서 관찰되며, 이는 저온에서 Gd 격자 자성 진동자의 지배적 영향이 증가함을 나타내며, 순수한 자화 복제 모델이 아닌, 다양한 자성 진동자 모드 간의 복잡한 상호작용이 순수한 스핀 전류를 만들어내는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

We probe the spin Seebeck effect in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$/Pt hybrid structures as a function of temperature and observe two sign changes of the spin Seebeck signal with decreasing temperature. A first sign change occurs at a temperature close to the Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$ magnetic compensation point at around 280 K. There the spin Seebeck signal changes sign abruptly with unaltered amplitude, indicating that the spin current is mainly caused by the magnetic Fe sub-lattices, which reorient their directions at this temperature. A second, more gradual sign change takes place around the ordering temperature of the Gd sub-lattice in the range of 65-85 K, showing that the Gd magnetic sub-lattice dominates the thermally driven spin current at lower temperatures. These sign changes together with the non-monotonous dependence of the spin Seebeck signal on the temperature demonstrate that the magnonic spin current is not simply replicating the effective magnetization of Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$. Rather, the thermally generated net spin current results from a complex interplay of the three magnetic sub-lattices involved.

연구 동기 및 목표

• 다중자기체 Gd₃Fe₅O₁₂(GdIG)에서 스핀 세베크 효과(SSE)의 기원을 이해하기 위해 온도 의존적 행동을 탐구한다.
• 단순화된 이중격자 모델 예측과 비교해 관측된 SSE 부호 전환 간의 괴리점을 해결한다.
• 열적으로 유도된 자성 진동자 스핀 전류 생성에 있어 철과 Gd 자성 격자 간의 상대적 기여를 규명한다.
• 다양한 온도 의존성 자성 반응을 보이는 다중 자성 격자 간의 상호작용이 순수 스핀 전류의 형태를 어떻게 결정하는지 조사한다.
• 자기불화성 절연체의 총 자화가 단순히 SSE 신호를 반복한다는 가정을 도전한다.

제안 방법

• 다양한 결정학적 정렬 및 기질 재료를 가진 Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 이방성 구조에서 온도 의존성 종방향 SSE 측정을 수행하였다.
• SSE 신호 검출의 신뢰성을 확보하기 위해 두 가지 상보적인 실험 기법을 활용하였다.
• SSE 전압의 온도 변화를 분석하여 자성 격자 행동과 관련된 임계 전이 온도를 규명하였다.
• 관측된 SSE 신호의 부호 전환을 알려진 자성 전이와 연관시켰다: 철 격자의 보상점(~280 K)과 Gd 격자의 질서 형성 온도(65–85 K).
• 열 기울기로 유도된 자성 진동자 스핀 전류를 탐지하기 위해 Pt에서의 역스핀 홀 효과(ISHE)를 사용하였다.
• Fe/Pt 및 Gd/Pt 인터페이스 간의 스핀 혼합 도전도 차이가 미치는 영향을 평가하였지만, 인터페이스 도전도의 정량적 분석은 수행하지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도가 감소함에 따라 Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 이방성에서 관측된 SSE 신호의 두 부호 전환의 원인은 무엇인가?
• RQ2 철과 Gd 자성 격자가 열적 자성 진동자 스핀 전류에 기여하는 방식이 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 첫 번째 부호 전환이 Gd₃Fe₅O₁₂의 자성 보상점보다 낮은 온도에서 발생하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 세 격자(철 및 Gd)의 복잡한 자성 진동자 분포가 단순한 이중격자 모델의 SSE에 얼마나 심각하게 도전하는가?
• RQ5 저온에서 Gd 격자 자성 진동자가 지배적일 경우, 순수 스핀 전류의 방향과 크기에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SSE 신호의 첫 번째 부호 전환이 약 280 K 근처에서 급격히 발생하며, 이는 Gd₃Fe₅O₁₂의 자성 보상점과 일치한다. 이는 이 온도 범위에서 철 격자가 스핀 전류를 지배함을 시사한다.
• 두 번째 부호 전환이 65 K에서 85 K 사이에서 더 부드럽게 발생하며, 이는 Gd 격자의 장거리 질서 형성 시점과 관련이 있다. 이는 Gd 지배의 자성 진동자 스핀 전류로의 전이를 나타낸다.
• 첫 번째 전환의 급격함은 보상점에서 철 격자 자화의 급격한 재정렬 때문이며, 두 번째 전이의 부드러운 성격은 Gd 자성 진동자의 열적 인플루언스 증가 때문임을 설명한다.
• 관측된 SSE 신호는 Gd₃Fe₅O₁₂의 총 자화를 단순히 반복하지 않으며, 이는 순수 스핀 전류가 서로 다른 격자에서 기인한 다수의 자성 진동자 모드 간 비선형 상호작용에 기인함을 입증한다.
• SSE 신호의 온도 의존성은 단조롭지 않으며, 단일 지배 자성 기여를 가정하는 단순 모델로는 설명할 수 없어, 더 복잡한 이론적 접근이 필요함을 시사한다.
• 결과는 Fe/Pt 및 Gd/Pt 인터페이스 간의 스핀 혼합 도전도 차이가 관측된 행동에 기여할 수 있음을 시사하지만, 본 연구에서는 이에 대한 정량적 분석은 수행하지 않았다.