[논문 리뷰] Spin-current injection and detection in strongly correlated organic conductor

Zhiyong Qiu, Mikio Uruichi외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 13.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 강한 전자 상관성이 있는 유기 반도체 κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br에 YIG 필름으로부터 스핀 펌프를 통해 스핀 전류를 주입하고 검출함으로써, 80 K 부근에서 증가한 스핀 및/또는 격자 진동으로 인해 역 스핀 홀 효과(ISHE)가 심하게 억제되는 현상을 관측하였다. 이 억제 현상은 저항 변화가 아닌 내재된 특성으로서, 자기 전이 또는 유리 전이 부근에서 전자 상관성이 강하게 영향을 미친다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Spin-current injection into an organic semiconductor $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film induced by the spin pumping from an yttrium iron garnet (YIG) film. When magnetization dynamics in the YIG film is excited by ferromagnetic or spin-wave resonance, a voltage signal was found to appear in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film. Magnetic-field-angle dependence measurements indicate that the voltage signal is governed by the inverse spin Hall effect in $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$. We found that the voltage signal in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$/YIG system is critically suppressed around 80 K, around which magnetic and/or glass transitions occur, implying that the efficiency of the spin-current injection is suppressed by fluctuations which critically enhanced near the transitions.

연구 동기 및 목표

• YIG 필름으로부터의 스핀 펌프를 이용하여 강한 전자 상관성이 있는 유기 반도체에서 스핀 전류 주입 및 검출를 조사하기 위해.
• κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br(κ-Br)에서 스핀-전하 변환 메커니즘으로서의 역 스핀 홀 효과(ISHE) 존재를 확인하기 위해.
• 특히 80 K 부근에서 비정상적인 현상이 발생하는 상황에서 κ-Br에서의 스핀 전류 변환 효율의 온도 의존성을 이해하기 위해.
• ISHE 전압의 억제가 스핀 홀 각도의 변화인지, 또는 YIG/κ-Br 인터페이스에서의 스핀 전류 주입 효율 감소 때문인지 규명하기 위해.

제안 방법

• 5 GHz에서의 강자성 공명 또는 스핀 파동 공명을 통해 YIG 필름에 스핀 펌프를 유도하여 YIG에 적층된 κ-Br 필름으로 스핀 전류를 주입하였다.
• 5 µm 두께의 YIG 필름을 GGG 기판 위에 형성한 이중층 장치를 제작하였으며, 직접적인 스핀 주입을 방지하기 위해 구리 전극과 20 nm 두께의 SiO2를 분리막으로 사용하였다.
• 정적 자기장 및 온도 변화 조건에서 구리 전극 간의 전압 신호를 측정하였으며, 자기장 각도 의존성을 통해 ISHE 기원을 확인하였다.
• 역 스핀 홀 효과는 자기장 반전 조건에서 전압 신호의 부호 변화를 관측하고, 저항에 비례한 전압 정규화(V*/R)를 통해 필름 저항 변화를 보정함으로써 확인하였다.
• 80 K부터 4 K까지의 온도에서 저항 및 전압의 온도 의존성을 측정하여 80 K 부근에서의 비정상적 억제 현상의 기원을 규명하였다.
• 이론적 분석은 스핀 오비트 결합(내재적 기여)과 불순물 산란(외재적 기여)이 스핀 홀 각도에 미치는 영향을 고려하여, 온도 의존성 산란이 억제 원인으로서 배제되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YIG 필름으로부터 스핀 전류를 주입할 경우, 강한 전자 상관성이 있는 유기 반도체 κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br에서 역 스핀 홀 효과(ISHE)가 발생하는가?
• RQ2 필름 저항에 큰 변화가 없음에도 불구하고, κ-Br에서 ISHE 전압 신호가 80 K 부근에서 심하게 억제되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 이 억제 현상은 스핀 홀 각도 감소 때문인지, 또는 YIG/κ-Br 인터페이스에서의 스핀 전류 주입 효율 감소 때문인가?
• RQ4 80 K 부근에서의 스핀 및 격자 진동은 이 유기 체계에서 스핀-전하 변환 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 억제 현상은 κ-Br의 자기 전이 또는 유리 전이와 관련이 있으며, 이는 상관성이 강한 유기 물질에서의 스핀 전도에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• YIG 층에서 강자성 공명를 유도함으로써 κ-Br 필름에서 명확한 전압 신호를 관측하였으며, 자기장 반전 조건에서 신호 부호가 반전되어 역 스핀 홀 효과(ISHE)가 확인되었다.
• 80 K 부근에서 ISHE 전압 신호는 90% 이상 억제되었으며, 이하 온도에서는 노이즈 수준으로 합류되어 더 이상 구분되지 않았다. 이는 필름 저항에 큰 변화가 없음에도 불구하고 발생하였다.
• 전압 신호의 억제는 외재적 열전기 효과나 저항 변화가 아닌, κ-Br/YIG 시스템의 내재적 특성으로서 확인되었으며, 저항에 비례한 정규화(V*/R)를 통해 검증되었다.
• 전압 신호의 온도 의존성은 불순물 산란의 예측된 온도 의존성과 관련이 없음을 확인하여, 외재적 스핀 홀 각도 변화가 억제 원인임을 배제하였다.
• 이 억제 현상은 κ-Br에서 알려진 자기 전이 또는 유리 전이와 일치하며, 80 K 부근에서의 스핀 및/또는 격자 진동이 인터페이스에서의 스핀 전류 주입 효율을 심하게 감소시킴을 시사한다.
• 결과적으로 전자 상관성과 진동이 강한 상관성이 있는 유기 도전체에서 스핀 전도에 중대한 영향을 미치며, 상전이 부근에서 스핀-전하 변환 효율이 제한됨을 나타낸다.