[论文解读] Auto-oscillations in YIG/Pt microstructures driven by the spin Seebeck effect

V. Lauer, Michael Schneider+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 26被引用 5

一句话总结

本研究展示了在室温下，通过自旋塞贝克效应（SSE）驱动的YIG/Pt纳米线中出现的自激振荡，其中热梯度诱导自旋转移力矩，从而在约20 ns内激发相干磁矩进动。该效应源于SSE注入的磁振子，且受温度依赖的自旋混合电导率调制，自旋霍尔效应贡献较小，揭示了其在紧凑微波源中的潜在应用。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that a thermal gradient in a nanostructured YIG(66 nm)/Pt(7 nm) bilayer can trigger coherent spin dynamics in the YIG layer due to a spin Seebeck effect (SSE) induced spin-transfer torque (STT). The experiment is performed on a 4 {\mu}m long and 475 nm wide YIG/Pt nanowire at room temperature. Magnetization precession is excited by applying 50 ns long dc pulses to the structure, and detected using Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy. SSE-driven magnetization auto-oscillations appear on a short time scale of around 20 ns, afterwards the BLS signal decays again. The observed behavior is caused by the interplay of the SSE, which depends on the thermal gradient, with effects depending on the absolute temperature, e.g., the spin mixing conductance. Numerical simulations show that the thermal gradient saturates within a few nanoseconds, but the absolute temperature of the system steady increases during the dc pulse. Moreover, the experimental data demonstrate a small contribution from the spin Hall effect. Our findings suggest the generation of a coherent precession state from incoherent SSE-injected magnons and reveal an application potential for microwave sources at room temperature.

研究动机与目标

• 研究室温下由自旋塞贝克效应（SSE）驱动的YIG/Pt纳米结构中的相干自旋动力学。
• 理解热梯度与温度依赖的自旋输运特性之间的相互作用，以揭示自激振荡的产生机制。
• 区分SSE在自旋流生成中的作用与自旋霍尔效应等竞争效应的影响。
• 展示利用SSE驱动的磁振子注入在纳米异质结构中生成相干微波信号的可行性。

提出的方法

• 在室温下制备了一段长4 µm、宽475 nm的YIG(66 nm)/Pt(7 nm)纳米线用于实验。
• 施加50 ns的直流脉冲，以在双异质结构中产生热梯度。
• 利用布里渊散射光谱（BLS）探测磁矩进动，以观察动态响应。
• 数值模拟对直流脉冲期间热梯度的演化和温升进行了建模，显示在约2 ns内达到饱和。
• 分析系统的响应，以分离SSE与自旋霍尔效应的贡献。
• 在模拟中引入温度依赖的自旋混合电导率，以解释BLS信号的观测衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，热梯度能否通过自旋塞贝克效应在YIG/Pt纳米线中诱导出相干自激振荡？
• RQ2 在直流脉冲期间，热梯度的演化与温升如何影响磁矩进动的起始与衰减？
• RQ3 在该系统中，SSE在自旋流生成中的贡献程度如何，相较于自旋霍尔效应？
• RQ4 温度依赖的自旋输运特性（如自旋混合电导率）如何影响SSE驱动的自激振荡动力学？

主要发现

• 在施加50 ns直流脉冲后约20 ns内，观察到由自旋塞贝克效应驱动的相干磁矩进动。
• BLS信号在初始振荡脉冲后发生衰减，表明呈现瞬态自激振荡行为。
• 系统中的热梯度在约2 ns内达到饱和，而结构的绝对温度在脉冲期间持续上升。
• 数值模拟证实，热梯度与温度依赖的自旋混合电导率之间的相互作用主导了观测到的动力学行为。
• 检测到自旋霍尔效应存在微小但可测量的贡献，但其作用远小于SSE驱动机制。
• 结果表明，通过SSE非相干注入的磁振子可导致相干进动态的出现，为微波源应用提供了潜在可能。