[论文解读] Control and Local Measurement of the Spin Chemical Potential in a Magnetic Insulator

Chunhui Du, Toeno van der Sar+9 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Nov 22, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 7

一句话总结

本文引入单自旋磁力计技术，非微扰地控制并局部测量磁性绝缘体中的自旋化学势，证明铁磁共振可高效调节自旋子化学势。该研究首次实验确定了局域热自旋子力矩，并通过电控自旋注入实现了自旋输运的纳米尺度成像。

ABSTRACT

The spin chemical potential characterizes the tendency of spins to diffuse. Probing the spin chemical potential could provide insight into materials such as magnetic insulators and spin liquids and aid optimization of spintronic devices. Here, we introduce single-spin magnetometry as a generic platform for non-perturbative, nanoscale characterization of spin chemical potentials. We use this platform to investigate magnons in a magnetic insulator, surprisingly finding that the magnon chemical potential can be efficiently controlled by driving the system's ferromagnetic resonance. We introduce a symmetry-based two-fluid theory describing the underlying magnon processes, realize the first experimental determination of the local thermomagnonic torque, and illustrate the detection sensitivity using electrically controlled spin injection. Our results open the way for nanoscale control and imaging of spin transport in mesoscopic spin systems.

研究动机与目标

• 开发一种非微扰、纳米尺度的方法，用于探测磁性绝缘体中的自旋化学势。
• 通过磁性绝缘体中的铁磁共振实验控制自旋子化学势。
• 测量局域热自旋子力矩并实现自旋输运的纳米尺度成像。
• 建立基于对称性的双流理论，描述系统中的自旋子过程。
• 展示电控自旋注入可提升检测灵敏度。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-空位（NV）中心作为单自旋磁力计，实现对自旋化学势的局部、非侵入式探测。
• 应用铁磁共振驱动并调控自旋子布居，从而调节自旋化学势。
• 采用基于对称性的双流模型，描述磁性绝缘体中自旋子与自旋流的耦合动力学。
• 利用电注入的自旋流提升检测灵敏度，并探测局域自旋输运。
• 通过NV中心探测实现自旋化学势梯度的空间分辨测量。
• 通过关联自旋化学势梯度与可测量的自旋力，分析热自旋子力矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性绝缘体中的自旋化学势能否在纳米尺度上被主动调控？
• RQ2 铁磁共振如何影响自旋子化学势与自旋输运？
• RQ3 磁性绝缘体中局域热自旋子力矩的大小与空间分布为何？
• RQ4 单自旋磁力计能否实现非微扰、纳米尺度的自旋化学势成像？
• RQ5 电控自旋注入如何提升自旋化学势检测的灵敏度？

主要发现

• 通过铁磁共振激发，磁性绝缘体中的自旋子化学势可被高效调控。
• 首次利用单自旋磁力计实验确定了局域热自旋子力矩。
• 基于对称性的双流理论成功描述了底层自旋子过程及其与自旋流的耦合。
• 电控自旋注入显著提升了自旋化学势测量的检测灵敏度。
• 通过NV中心探测实现了自旋化学势梯度的纳米尺度空间分辨成像。
• 本研究建立了一个用于介观自旋系统中自旋输运纳米尺度调控与成像的平台。