[论文解读] Generation of femtosecond spin current pulses via non-thermal spin-dependent Seebeck effect and their interaction with ferromagnets in spin valves
本研究通过非热自旋依赖的塞贝克效应，在Fe/Au/Fe/MgO(001)伪自旋阀中实现了250 fs长的自旋电流脉冲。超短脉冲持续时间源于激光激发的Fe中热化载流子的热化时间，通过亚100 nm金层的超扩散输运接近弹道极限，且在Au/Fe界面处由于非共线磁化而发生自旋旋转。
Using the sensitivity of magneto-induced second harmonic generation to spin currents (SC), we demonstrate in Fe/Au/Fe/MgO(001) pseudo spin valves the generation of 250 fs-long SC pulses. Their temporal profile indicates that superdiffusive hot electron transport across a sub-100~nm Au layer is close to the ballistic limit and the pulse duration is primarily determined by the thermalization time of laser-excited hot carriers in Fe. Considering the calculated spin-dependent Fe/Au interface transmittance we conclude that a non-thermal spin-dependent Seebeck effect is responsible for the generation of ultrashort SC pulses. We also show that hot electron spins rotate upon interaction with non-collinear magnetization at the Au/Fe interface, which holds high potential for future spintronic devices.
研究动机与目标
- 研究利用超快激光激发在自旋阀结构中生成超短自旋电流脉冲。
- 确定Fe/Au/Fe/MgO(001)异质结构中亚250 fs自旋电流脉冲的物理起源。
- 考察非热自旋依赖塞贝克效应在生成这些脉冲中的作用。
- 分析跨越亚100 nm金层的自旋电流输运及其与扩散输运的偏离。
- 在超快自旋电子学背景下，探讨非共线磁化导致的Au/Fe界面处的自旋旋转。
提出的方法
- 利用超快激光激发Fe层以产生热电子载流子。
- 采用磁致二次谐波生成（MSHG）技术，以实现高时间分辨率和自旋灵敏度的自旋电流检测。
- 测量自旋电流的时间轮廓，以推断跨越金层的输运动力学。
- 分析Fe/Au界面处的自旋依赖界面透射率，以评估非热塞贝克效应的贡献。
- 对Fe中热电子的热化时间进行建模，以与观测到的脉冲持续时间相关联。
- 利用MSHG研究在非共线磁化条件下Au/Fe界面处的自旋旋转。
实验结果
研究问题
- RQ1Fe/Au/Fe/MgO(001)伪自旋阀中250 fs超短自旋电流脉冲的起源是什么？
- RQ2跨越亚100 nm金层的超扩散输运在多大程度上接近弹道输运极限？
- RQ3非热自旋依赖塞贝克效应在该系统中对自旋电流生成的贡献如何？
- RQ4Fe中热载流子的热化时间在决定脉冲持续时间方面起什么作用？
- RQ5热电子自旋在与非共线磁化的Au/Fe界面相互作用后如何演化？
主要发现
- 成功在Fe/Au/Fe/MgO(001)伪自旋阀中生成了超短250 fs自旋电流脉冲。
- 脉冲持续时间主要由激光激发的Fe中热载流子的热化时间决定，而非金层中的输运过程。
- 跨越亚100 nm金层的自旋电流输运表现出超扩散行为，接近弹道极限。
- 非热自旋依赖塞贝克效应被确定为自旋电流生成的主要机制。
- 热电子自旋在与非共线磁化的Au/Fe界面相互作用后发生旋转，表明在超快器件中具有自旋调控潜力。
- 计算得到的自旋依赖界面透射率支持非热塞贝克效应在该系统中的主导作用，而非传统热梯度。
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