[论文解读] Effects of Domain Wall on Electronic Transport Properties in Mesoscopic Wire of Metallic Ferromagnets

Gen Tatara|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 1999

Magnetic properties of thin films参考文献 52被引用 13

一句话总结

本研究利用线性响应理论与自旋空间规范变换，探究磁畴壁对介观铁磁纳米线中电子输运的影响。研究发现，尽管在体材料中由于壁厚远大于费米波长，经典输运贡献可忽略不计，但弱局域化引起的量子修正在纳米接触中显著降低电阻率，尤其在低温下，且当导线直径与相位相干长度相当时更为显著。

ABSTRACT

We study the effect of the domain wall on electronic transport properties in wire of ferromagnetic 3$d$ transition metals based on the linear response theory. We considered the exchange interaction between the conduction electron and the magnetization, taking into account the scattering by impurities as well. The effective electron-wall interaction is derived by use of a local gauge transformation in the spin space. This interaction is treated perturbatively to the second order. The conductivity contribution within the classical (Boltzmann) transport theory turns out to be negligiblly small in bulk magnets, due to a large thickness of the wall compared with the fermi wavelength. It can be, however, significant in ballistic nanocontacts, as indicated in recent experiments. We also discuss the quantum correction in disordered case where the quantum coherence among electrons becomes important. In such case of weak localization the wall can contribute to a decrease of resistivity by causing dephasing. At lower temperature this effect grows and can win over the classical contribution, in particular in wire of diameter $L_{\perp}\lesssim \ell_{\phi}$, $\ell_{\phi}$ being the inelastic diffusion length. Conductance change of the quantum origin caused by the motion of the wall is also discussed.

研究动机与目标

• 理解磁畴壁对介观铁磁纳米线中电子输运的影响。
• 确定畴壁相互作用是否在纳米结构系统中对电导率有显著贡献。
• 分析无序铁磁纳米线中经典输运与量子修正之间的相互作用。
• 研究畴壁运动如何引起低维系统中量子电导的变化。

提出的方法

• 采用线性响应理论，对铁磁3d过渡金属纳米线中的电子输运进行建模。
• 在自旋空间中使用局域规范变换，推导出有效的电子-壁相互作用势。
• 将电子-壁相互作用按相互作用强度的二阶微扰展开处理。
• 应用经典玻尔兹曼输运理论，评估常规电导率贡献。
• 在弱局域化区域分析量子修正，重点关注畴壁引起的退相位效应。
• 利用量子输运理论形式，评估畴壁运动引起的电导率变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 畴壁对体材料中铁磁纳米线的常规电导率有何影响？
• RQ2 量子相干性与弱局域化在畴壁诱导的电阻率变化中起何作用？
• RQ3 在何种条件下，畴壁引起的量子贡献会超过经典效应？
• RQ4 导线直径如何影响畴壁引起的量子修正的相对重要性？
• RQ5 在介观系统中，畴壁运动引起的电导率变化的大小与性质如何？

主要发现

• 由于畴壁厚度远大于费米波长，体材料中畴壁对经典电导率的贡献可忽略不计。
• 在弹道纳米接触中，畴壁相互作用可产生显著的输运效应，与近期实验观测一致。
• 在无序系统中，畴壁诱导退相位，导致量子修正，从而降低电阻率。
• 该量子电阻率降低效应随温度降低而增强，当导线直径与相位相干长度 ℓϕ 相当或更小时，该效应占主导地位。
• 由畴壁运动引起的电导率变化具有量子力学起源，在纳米结构铁磁纳米线中不可忽略。