[논문 리뷰] Spin hydrodynamic generation in graphene

Mamoru Matsuo, D. A. Bandurin외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 04.

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 점성 전자 유체역학을 통해 그래핀에서 스핀 전류를 생성하는 새로운 메커니즘을 제안한다. 여기서 전자 흐름 내의 스핀-비틀림 결합이 횡방향 스핀 축적을 유도한다. 주요 결과로는 넓은 온도 범위에서 0.1을 초월하는 스핀 홀 각도를 관찰하였으며, 현대 자기측정 기술로 측정 가능한 스핀 축적(~3×10⁻² μeV)이 가능하다.

ABSTRACT

Graphene hosts an ultra-clean electronic system with electron-electron collisions being the dominant source of scattering above liquid nitrogen temperatures. In this regime, the motion of the electron fluid resembles the flow of classical liquids and gases with high viscosity. Here we show that such a viscous electron flow can cause the generation of a spin current perpendicular to the direction of flow. Combining the Navier-Stokes equations and the spin diffusion equation in the presence of the spin-vorticity coupling, we derive an expression for the spin accumulation emerging purely as a result of the viscous electron flow. We explore Poiseuille flow and Jeffery-Hamel flow and show that the spin Hall angle may exceed 0.1 over a wide range of temperatures and can be controlled by carrier density, temperature, and the geometry of sample boundaries. Our theory points to new functionality of graphene as a spin current source.

연구 동기 및 목표

• 기존의 스핀 주입 또는 스핀-오비탈 결합 이외의 방식으로 그래핀 내 스핀 전류 생성을 탐색하기 위해.
• 초순수 그래핀 장치에서 스핀 편극 전류를 생성하는 데 제한된 방법들이 존재하는 문제를 해결하기 위해.
• 점성 전자 유동을 활용하여 전자 유체역학과 스핀트로닉스를 연결하기 위해.
• 유체역학적 흐름 구조에서 실험적으로 측정 가능한 스핀 축적과 스핀 홀 각도를 예측하기 위해.
• 적재 밀도, 온도 및 샘플 기하학적 구조를 통해 스핀 전류를 제어할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 점성 전자 유체를 위한 나비에-스토크스 방정식을 사용하여 그래핀 내 전자 유동을 모델링하기 위해.
• 스핀-비틀림 결합을 스핀 확산 방정식에 통합하여 스핀 전류 생성을 기술하기 위해.
• 포아죄유 흐름과 제피리-헤일 흐름 기하학적 구조를 분석하여 스핀 축적 패턴을 연구하기 위해.
• 점성, 스핀 회복 길이 및 흐름 기하학을 함수로 하는 스핀 홀 각도를 유도하기 위해.
• 스핀 확산 방정식의 수치적 해를 사용하여 다양한 흐름 영역에서 스핀 축적의 크기를 추정하기 위해.
• 정량적 비교 및 실험 가능성 평가를 위해 스핀 축적의 기준 척도 δμ^SHD ≈ 0.1 meV로 정규화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 내 점성 전자 유동이 스핀-비틀림 결합을 통해 횡방향 스핀 전류를 생성할 수 있는가?
• RQ2 유체역학적 전자 유동에서 스핀 홀 각도의 크기와 조절 가능성은 어떠한가?
• RQ3 샘플의 기하학적 구조(예: 수렴형 대비 산산형 흐름)가 스핀 축적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 예측된 스핀 축적이 현재 기술로 실험적으로 검출될 수 있는가?
• RQ5 온도, 적재 밀도 및 점성이 스핀 전류 생성의 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스핀 홀 각도는 넓은 온도 범위에서 0.1을 초월하며, 강한 스핀-오비탈 결합을 가진 물질의 값과 유사하다.
• 제피리-헤일 흐름에서 샘플 경계에서 스핀 축적이 약 3×10⁻² μeV(또는 1 Oe)에 도달하며, 스캐닝 NV-자기측정 기술의 감도 범위 내에 있다.
• 특히 가장자리 간의 각도에 따라 적재 밀도, 온도 및 샘플 기하학적 구조를 통해 스핀 축적이 조절 가능하다.
• 제피리-헤일 흐름에서는 샘플 크기가 스핀 회복 길이와 유사하기 때문에 반경 방향 스핀 전류가 작다.
• Re = 100일 경우 흐름이 불안정해져 레이놀즈 수가 낮은 흐름과 다른 복잡한 스핀 축적 패턴이 발생할 수 있다.
• 예측된 스핀 전류 생성은 스캐닝 광전압 현미경 또는 이중차원 센서 기술을 통해 실험적으로 측정 가능하다.