[论文解读] Acoustic spin pumping as the origin of the long-range spin Seebeck effect

Ken‐ichi Uchida, H. Adachi+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Magnetic properties of thin films参考文献 22被引用 148

一句话总结

本文确定声子为磁性金属异质结构中长程自旋塞贝克效应的起源，证明通过声波注入实现自旋-声子耦合可产生自旋电流。关键发现是，Pt层中的非局域自旋电压信号因声子介导的自旋泵浦而能在长距离下持续存在，为声子自旋电子学奠定了基础。

ABSTRACT

The spin Seebeck effect (SSE) is known as the generation of 'spin voltage' in a magnet as a result of a temperature gradient. Spin voltage stands for the potential for spins, which drives a spin current. The SSE is of crucial importance in spintronics and energy-conversion technology, since it enables simple and versatile generation of spin currents from heat. The SSE has been observed in a variety of materials ranging from magnetic metals and semiconductors to magnetic insulators. However, the mechanism, the long-range nature, of the SSE in metals is still to be clarified. Here we found that, using a Ni81Fe19/Pt bilayer wire on an insulating sapphire plate, the long-range spin voltage induced by the SSE in magnetic metals is due to phonons. Under a temperature gradient in the sapphire, surprisingly, the voltage generated in the Pt layer is shown to reflect the wire position, although the wire is isolated both electrically and magnetically. This non-local voltage is direct evidence that the SSE is attributed to the coupling of spins and phonons. We demonstrate this coupling by directly injecting sound waves, which realizes the acoustic spin pumping. Our finding opens the door to "acoustic spintronics" in which phonons are exploited for constructing spin-based devices.

研究动机与目标

• 解决磁性金属中长程自旋塞贝克效应长期存在的谜团。
• 研究声子在非磁性绝缘基底上传导自旋电流中的作用。
• 通过实验验证，自旋电流可通过非局域结构中的声波注入产生。
• 确立声子介导自旋泵浦作为长程效应的起源机制。
• 为基于声子的自旋电子学器件开辟新途径。

提出的方法

• 在蓝宝石基底上制备了Ni81Fe19/Pt双层纳米线，以实现热梯度驱动的实验。
• 在蓝宝石基底上施加温度梯度，诱导声子输运。
• 在距热源不同距离处对Pt层进行非局域电压测量，揭示了位置相关的自旋电压信号。
• 将声波直接注入蓝宝石，以模拟声子介导的自旋泵浦。
• 将观测到的自旋电压与声子传播及导线位置相关联，证实了声子介导的耦合。
• 通过将实验结果与声子自旋泵浦的理论模型对比，验证了自旋-声子耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性金属中长程自旋塞贝克效应的物理机制是什么？
• RQ2 声子是否能在非局域构型中通过非磁性绝缘体介导自旋电流的产生？
• RQ3 观测到的长程自旋电压是否归因于自旋-声子耦合，而非磁性或电子效应？
• RQ4 声波注入能否再现热梯度下观测到的自旋电压信号？
• RQ5 基底在实现声子介导自旋电流输运中起什么作用？

主要发现

• 在蓝宝石上生长的Ni81Fe19/Pt中，长程自旋塞贝克效应由声子驱动，而非自旋波或直接自旋扩散。
• 尽管存在电学和磁学隔离，Pt层中的非局域自旋电压仍依赖于NiFe导线的位置，表明存在长程声子介导耦合。
• 直接将声波注入蓝宝石可重现自旋电压信号，证实了声子自旋泵浦是其机制。
• 观测到的自旋电压在超过100 µm的距离下仍持续存在，证明了声子介导自旋输运的长程特性。
• 研究结果建立了声子与自旋电流生成之间的明确联系，验证了自旋电子学中一种新机制。
• 研究结果为新领域——声子自旋电子学奠定了基础，其中声子被用作自旋信息的载体。