[论文解读] Magnon transport and thermoelectric effects in ultrathin Tm3 Fe5 O12 /Pt nonlocal devices

Gao Jialiang, Charles‐Henri Lambert+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究通过谐波电压测量，探究了超薄Tm3Fe5O12/Pt非局域器件中的自旋波输运与热电效应。该研究将自旋波驱动的信号与热电贡献分离，揭示了在0.5 T磁场下自旋波扩散长度约为0.3 µm，且由于吉尔伯特阻尼增强，该值在0.8 T时衰减至约0.2 µm；同时在二次谐波响应中识别出五种不同的热电效应。

ABSTRACT

The possibility of electrically exciting and detecting magnon currents in magnetic insulators has opened exciting perspectives for transporting spin information in electronic devices. However, the role of the magnetic field and the nonlocal thermal gradients on the magnon transport remain unclear. Here, by performing nonlocal harmonic voltage measurements, we investigate magnon transport in perpendicularly magnetized ultrathin Tm3Fe5O12 (TmIG) films coupled to Pt electrodes. We show that the first harmonic nonlocal voltage captures spin-driven magnon transport in TmIG, as expected, and the second harmonic is dominated by thermoelectric voltages driven by current-induced thermal gradients at the detector. The magnon diffusion length in TmIG is found to be on the order of 0.3 μm at 0.5 T and gradually decays to 0.2 μm at 0.8 T, which we attribute to the suppression of the magnon relaxation time due to the increase of the Gilbert damping with field. By performing current, magnetic field, and distance dependent nonlocal and local measurements we demonstrate that the second harmonic nonlocal voltage exhibits five thermoelectric contributions, which originate from the nonlocal spin Seebeck effect and the ordinary, planar, spin, and anomalous Nernst effects. Our work provides a guide on how to disentangle magnon signals from diverse thermoelectric voltages of spin and magnetic origin in nonlocal magnon devices, and establish the scaling laws of the thermoelectric voltages in metal/insulator bilayers.

研究动机与目标

• 阐明超薄磁性绝缘体/重金属异质结中自旋波输运与热电效应之间的相互作用。
• 解决在电流诱导热梯度下，难以区分非局域自旋波信号与热电电压的模糊性问题。
• 量化垂直磁化的Tm3Fe5O12薄膜中自旋波扩散长度的磁场依赖性。
• 识别并分离非局域自旋塞贝克效应、普通热电效应、平面热电效应、自旋热电效应和反常热电效应五种热电贡献。
• 建立金属/绝缘体双异质结中热电电压的尺度律，以实现信号的明确识别。

提出的方法

• 在具有不同注释器-探测器间距的图案化Pt/Tm3Fe5O12/Pt器件中进行非局域谐波电压测量。
• 通过施加电流、磁场及角度依赖性测量，分离出自旋波输运与热电效应的贡献。
• 利用一次谐波电压通过指数衰减分析提取自旋波扩散长度。
• 分析二次谐波电压，以识别并分离五种热电贡献：非局域自旋塞贝克效应、普通热电效应、平面热电效应、自旋热电效应和反常热电效应。
• 采用磁场与距离依赖性测量，将邻近效应引起的信号（如平面热电效应）与自旋起源的效应（如自旋热电效应）区分开来。
• 使用吉尔伯特阻尼现象学模型模拟自旋波输运，以解释磁场依赖的扩散长度减小现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场如何影响超薄Tm3Fe5O12薄膜中的自旋波扩散长度？
• RQ2 热电电压（特别是由非局域热梯度引起的）在二次谐波非局域响应中占多大比例？
• RQ3 哪些热电效应对二次谐波电压有贡献？它们如何与自旋波驱动的信号区分开来？
• RQ4 在非局域器件中，能否将邻近效应引起的热电效应（如平面热电效应）与自旋起源的效应（如自旋热电效应）区分开来？
• RQ5 在非局域几何结构下，金属/绝缘体双异质结中的热电电压受何种尺度律支配？

主要发现

• 由于磁场诱导的自旋波弛豫时间抑制，Tm3Fe5O12中的自旋波扩散长度从0.5 T时的约0.3 µm降低至0.8 T时的约0.2 µm。
• 一次谐波非局域电压可靠地捕捉到由自旋驱动的自旋波输运，证实了扩散自旋波电流的存在。
• 二次谐波非局域电压主要由探测器处电流诱导的热梯度引起的热电电压主导，而非长程自旋波扩散。
• 在二次谐波响应中识别出五种不同的热电贡献：非局域自旋塞贝克效应、普通热电效应、平面热电效应、自旋热电效应和反常热电效应。
• 角度、磁场、电流和距离依赖性实验能够清晰地区分磁性起源与自旋起源的热电效应。
• 本研究建立了一个框架，可明确地将非局域自旋波器件中的自旋波信号与热电伪影分离。