[論文レビュー] Scaling of the thermally induced sign inversion of longitudinal spin Seebeck effect in a compensated ferrimagnet: Role of magnetic anisotropy

Amit Chanda, Noah Schulz+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 58被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、磁気補償温度（TComp）未満で磁化の反転が観測される補償型Gd3Fe5O12（GdIG）フェリマグネティック膜における、熱的に誘発される縦方向スピンゼーベック効果（LSSE）の普遍的スケーリングを示している。LSSE信号の符号反転は、磁気の容易軸の向きと強く相関しており、面内則の磁気異方性ではTComp周辺でLSSEデータが普遍的スケーリング収束を示す一方、面外則の磁気異方性では特徴的なLSSE応答を示す。これは、スピンカルオリトロニクス素子のチューニングパラメータとして磁気異方性が重要であることを示している。

ABSTRACT

We report on a systematic investigation of the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in a GGG(Gd3Ga5O12)/GdIG(Gd3Fe5O12)/Pt film series exhibiting an in-plane magnetic easy axis with a compensation temperature (T_Comp) that decreases from 270 to 220 K when decreasing GdIG film thickness from 272 to 31 nm, respectively. For all the films, the LSSE signal flips its sign below T_Comp. We demonstrate a universal scaling behavior of the temperature dependence of LSSE signal for our GdIG films around their respective T_Comp. Additionally, we demonstrate LSSE in a 31 nm GdIG film grown on a lattice-mismatched GSGG (Gd3Sc2Ga3O12) substrate that exhibits an out-of-plane magnetic easy axis at room temperature. However, this sample reveals a spin reorientation transition where the magnetic easy axis changes its orientation to in-plane at low temperatures. We observed a clear distinction in the LSSE signal for the GSGG/GdIG(31 nm)/Pt heterostructure, relative to GGG/GdIG(31nm)/Pt showing an in-plane magnetic easy axis. Our findings underscore a strong correlation between the LSSE signal and the orientation of magnetic easy axis in compensated ferrimagnets and opens the possibility to tune LSSE through effective anisotropy.

研究の動機と目的

• 補償型フェリマグネティックGdIG膜における磁気補償温度（TComp）近傍での縦方向スピンゼーベック効果（LSSE）の普遍的スケーリング挙動を調査すること。
• 磁気異方性、特に磁気の容易軸の向き（面内対面外）がLSSE信号に与える影響を特定すること。
• 歪み誘起磁気異方性がGdIG/Ptヘテロ構造におけるLSSE応答をどのようにチューニングするかを調査すること。
• 補償型フェリマグネティック体における磁気異方性とLSSE信号の温度依存性の相関関係を確立すること。

提案手法

• GdIG膜厚が31〜272 nmの範囲で変化するGGG/GdIG(t)/Pt(5 nm)ヘテロ構造を系統的に作製し、膜厚が小さくなるにつれてTCompが低下することを確認した。
• 膜の構造および表面粗さを評価するために、X線回折（XRD）および原子間力顕微鏡（AFM）を用いた。
• 磁気的性質および磁化を測定するために、SQUID-VSMおよび偏光磁気光学カー効果（p-MOKE）を用いた。
• 磁気異方性をプローブするために、自己共振トンネルダイオード発振器（TDO）を用いたラジオ周波数横磁化率（TS）測定を実施した。
• 自作のPPMSベースの装置を用いてLSSEを測定し、正確に制御された温度勾配（ΔT < ±2 mK）を生成し、ナノボルトメータを用いてISHE電圧を検出した。
• 異なる膜厚におけるLSSEデータの普遍的スケーリング収束を検証するため、TCompを基準点としてLSSEデータを再スケーリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補償型フェリマグネティック体におけるLSSE信号の温度依存性は、TComp近傍で普遍的スケーリング挙動を示すか？
• RQ2 磁気の容易軸の向き（面内対面外）が、GdIG/Ptヘテロ構造におけるLSSE信号にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特に歪み誘起異方性を含めた磁気異方性が、LSSE信号の符号および大きさをどれほど支配するか？
• RQ4 GdIG膜における磁気異方性の工学的制御により、LSSE応答をチューニングできるか？

主な発見

• 面内磁気容易軸を有するすべてのGdIG/Ptヘテロ構造において、それぞれのTComp未満でLSSE信号の符号反転が観測され、サブラティス磁化の反転が確認された。
• 面内則異方性を有するすべてのGdIG膜について、TCompを基準に再スケーリングした温度依存LSSEデータは、単一の普遍的曲線に収束し、普遍的スケーリング挙動を示した。
• 格子不整合を有するGSGG基板上に成長した31 nmのGdIG膜は、室温で面外磁気容易軸を有しており、RF横磁化率測定で確認された。
• GSGG/GdIG(31 nm)/Ptヘテロ構造のLSSE信号は、面内則異方性を有するGGG/GdIG(31 nm)/Pt試料とは異なり、磁場依存性が顕著に異なることから、異方性がスピン電流生成に強く影響していることが示された。
• GSGG/GdIG(31 nm)/Pt試料では、低温で容易軸が面外から面内に再配列するスピン再配列転移が観測され、これに伴いLSSE応答の変化が見られた。これにより、異方性とLSSEの関連性がさらに強化された。
• 本研究の結果から、磁気異方性、特に磁気容易軸の向きが、補償型フェリマグネティック体におけるLSSE信号をチューニングするための重要なパrameterであることが確立された。