[论文解读] Spin Hall response at finite wave vector in ferromagnets

Gen Tatara|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 12被引用 1

一句话总结

本文通过线性响应理论，从理论上研究了有限波矢下铁磁金属中的自旋霍尔效应，表明由于无能隙的Stoner激发，自旋积累在 q ≲ 2kF 范围内表现出宽广的响应。结果证实了自旋-电荷转换的局域性，对具有有限动量自旋流的自旋电子器件中的自旋扭矩和磁振子发射具有重要意义。

ABSTRACT

Spin Hall effect at finite wave vector in a ferromagnetic conductor is theoretically studied by calculating the spin density as the linear response to an applied electric field. The cases of a spin-orbit interaction due to random impurities and a localized Rashba interaction are considered. It is shown that the spin Hall effect has a broad response for the wave vector $q\lesssim 2\kf$ where $\kf $ is the Fermi wave vector. This fact confirms the local nature of the spin-charge conversion effects.

研究动机与目标

• 理解铁磁金属中超越传统均匀（q=0）极限的有限波矢自旋霍尔响应。
• 阐明自旋劈裂费米面的铁磁体中，Stoner激发在高波矢下增强自旋响应的作用。
• 建立非均匀自旋积累与局域自旋-电荷转换机制之间的联系。
• 比较两种自旋轨道耦合机制下的响应：随机杂质与局域Rashba相互作用。
• 探讨对具有有限动量自旋流的自旋电子器件中自旋轨道扭矩和磁振子发射的影响。

提出的方法

• 应用形式化的线性响应理论，计算空间非均匀电场对自旋密度响应的影响。
• 通过包含自旋和电流顶点并由自旋轨道相互作用连接的费曼图，计算自旋霍尔响应函数。
• 分析两种模型：(1) 杂质诱导的自旋轨道耦合和(2) 表面局域Rashba相互作用。
• 使用电子格林函数和自能修正，在动量空间中评估响应。
• 计算同时包含自旋霍尔（横向）和反常霍尔（纵向）贡献，且已纳入自旋弛豫和阻尼效应。
• 将响应作为归一化至费米波矢 kF 的动量转移 q 的函数进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铁磁金属中，有限波矢 q 下的自旋霍尔响应函数如何行为？
• RQ2 在具有自旋劈裂费米面的铁磁体中，Stoner激发在实现高 q 下宽广响应中起什么作用？
• RQ3 随机杂质诱导的自旋轨道耦合与局域Rashba相互作用的响应有何不同？
• RQ4 自旋响应在 q ≲ 2kF 范围内保持非零的程度如何，这对自旋积累的空间局域性意味着什么？
• RQ5 有限 q 的自旋响应能否与纳米结构中高效的磁振子发射或自旋轨道扭矩相关联？

主要发现

• 自旋霍尔响应函数在波矢 q ≲ 2kF 范围内表现出宽广的最大值，表明自旋积累在费米面上存在强烈的非均匀性。
• 这种宽广响应源于铁磁体中无能隙的Stoner激发，其为高 q 下自旋翻转过程提供了低能中间态。
• 即使在 q 接近 2kF 时，响应仍保持显著，证实了自旋-电荷转换的局域性，因为自旋积累被限制在具有强场梯度的区域。
• 对于Rashba相互作用，自旋响应函数在 q ≲ 2kF 范围内表现出宽广的峰，与Rashba-Edelestein效应的局域性一致。
• 横向自旋响应（ssh）在非磁性极限（M=0）下于 q=0 处线性消失，但在铁磁自旋劈裂存在时得到增强。
• 诱导的自旋密度通过交换耦合与磁振子模式线性耦合，可实现自旋流到磁振子的直接动量转移，这对基于磁振子的信息处理具有应用价值。