[论文解读] Investigation of the unidirectional spin heat conveyer effect in a 200nm thin Yttrium Iron Garnet film

O. Wid, Jackson J. Bauer+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 6

一句话总结

本研究利用锁相测温技术（LIT）在200 nm厚的钇铁石榴石（YIG）薄膜中证实了单向自旋热导效应，揭示了由于非互易Damon-Eshbach自旋波引起的非对称温度分布。尽管薄膜厚度减小导致效应幅度降低，LIT仍能检测到数毫开尔文的温度差异，证实该效应依然存在，必须在反向自旋霍尔效应测量中予以考虑，因为场依赖的热电电压会模拟出ISHE信号。

ABSTRACT

We have investigated the unidirectional spin wave heat conveyer effect in sub-micron thick yttrium iron garnet (YIG) films using lock-in thermography (LIT). Although the effect is small in thin layers this technique allows us to observe asymmetric heat transport by magnons which leads to asymmetric temperature profiles differing by several mK on both sides of the exciting antenna, respectively. Comparison of Damon-Eshbach and backward volume modes shows that the unidirectional heat flow is indeed due to non-reciprocal spin-waves. Because of the finite linewidth, small asymmetries can still be observed when only the uniform mode of ferromagnetic resonance is excited. The latter is of extreme importance for example when measuring the inverse spin-Hall effect because the temperature differences can result in thermovoltages at the contacts. Because of the non-reciprocity these thermovoltages reverse their sign with a reversal of the magnetic field which is typically deemed the signature of the inverse spin-Hall voltage.

研究动机与目标

• 研究此前在厚YIG薄膜中观测到的单向自旋热导效应是否在超薄200 nm YIG薄膜中依然存在。
• 确定Damon-Eshbach模的非互易性是否导致可探测的非对称热输运。
• 评估自旋热导效应对反向自旋霍尔效应（ISHE）测量的影响，特别是将热电电压误认为ISHE信号的风险。
• 评估锁相测温技术在检测由自旋波非互易性引起的微小温度梯度（<1 mK）方面的灵敏度。
• 阐明有限线宽和上下表面界面（空气侧与GGG衬底侧）阻尼差异在实现薄YIG薄膜中非对称热输运中的作用。

提出的方法

• 采用锁相测温技术（LIT）检测微波激发自旋波引起的动态温度调制，调制频率为1 Hz，积分时间为5分钟。
• 利用电子束光刻和热蒸发技术在YIG薄膜上制备了带宽80 µm、间距35 µm的共面波导（CPW），金属层结构为10 nm Ti / 250 nm Ag / 50 nm Au。
• 在5 GHz频率和-1 dBm功率下进行铁磁共振（FMR）测量，以确定共振场和模式，磁场均通过电磁铁扫描获得。
• 使用InSb探测器（640×512像素）采集红外图像，并通过锁相检测处理同相和正交分量，以提取温度调制幅度。
• 对样品表面涂覆墨水以实现均匀的红外发射率，提升信噪比。
• 在多个磁场点进行测量，以比较Damon-Eshbach模（DEM）和反向体积模（BVM）的温度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管厚度减小且自旋波传播范围缩短，200 nm厚YIG薄膜中是否仍能观测到单向自旋热导效应？
• RQ2 考虑到信号幅度微弱，锁相测温技术能否分辨出由非互易自旋波引起的非对称温度分布？
• RQ3 上下表面界面（空气侧与GGG衬底侧）之间的有限线宽和表面阻尼差异在多大程度上促成了观测到的非对称性？
• RQ4 自旋热导效应引起的热电电压在多大程度上影响反向自旋霍尔效应测量的解释？
• RQ5 观测到的温度差异是否可完全归因于非互易自旋波传播，还是均匀模激发也起到了贡献？

主要发现

• 通过锁相测温技术成功在200 nm厚YIG薄膜中观测到单向自旋热导效应，检测到激励天线两侧存在数毫开尔文的温度差异。
• 非对称温度分布归因于非互易Damon-Eshbach模，这一结论由LIT图像中更尖锐的共振峰和方向依赖性所证实。
• 即使由于自旋波传播距离短而未出现显著的热量堆积，该效应仍可被探测，原因在于非互易自旋波传播导致的非对称能量损耗。
• 有限线宽导致均匀模与DEM无法完全分离，从而产生残余温度梯度，可能引发场依赖的热电电压。
• 该效应引起的热电电压可达160 nV（对应1 mK温度差），与典型ISHE信号相当，尤其在具有高塞贝克系数的材料（如PEDOT:PSS）中更为显著。
• 结果表明，自旋热导效应引起的热电电压可能模拟出反向自旋霍尔效应信号，因此在实验中必须谨慎排除其影响，尤其是在薄膜和有机异质结构中。