[论文解读] Non-local magnon transport in the compensated ferrimagnet GdIG

Kathrin Ganzhorn, Tobias Wimmer+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 8

一句话总结

本研究通过Pt条带电注入与探测，研究了补偿型亚铁磁绝缘体GdIG中的非局域自旋波输运。结果表明，特别是具有相反极化的热激发自旋波模式的自旋布居动力学，对非局域电压信号起关键作用；在补偿温度（~310 K）略低时，磁场诱导的信号增强可归因于低能自旋波模式的选择性布居移除。

ABSTRACT

We study the diffusive transport of magnons through the compensated ferrimagnetic insulator Gd3Fe5O12 (GdIG). The magnons are injected and detected electrically in a non-local measurement configuration via two parallel Pt strips deposited on top of the ferrimagnet. GdIG exhibits a rich magnon spectrum, with several thermally populated magnon bands at room temperature. We observe a strong temperature and field dependence of the non-local voltage in the detector strip. Just below the magnetization compensation temperature we find that the increasing magnetic field causes an unexpected enhancement of the non-local signal. A comparison with GdIG spin wave spectra obtained from atomistic modeling indicates that the thermal magnon population is important for understanding the non-local voltage signal.

研究动机与目标

• 研究补偿型亚铁磁体GdIG中的非局域自旋波输运，该体系具有丰富的自旋波谱和磁化补偿点。
• 理解热自旋波布居及多自旋波带在磁场存在下对非局域电压信号的影响。
• 探讨在补偿温度附近由磁场诱导的非共线磁构型如何影响自旋波介导的自旋输运。
• 将实验测得的非局域磁阻（MMR）数据与原子尺度自旋动力学模拟进行比较，以识别主导的自旋波模式。
• 澄清不同自旋波模式的极化与布居差异是否可解释观测到的MMR信号随磁场和温度的变化行为。

提出的方法

• 通过在GdIG上沉积两个电隔离的Pt条带，测量非局域自旋输运，其中在发射极条带中通入直流电流，利用自旋霍尔效应（SHE）产生自旋积累。
• 自旋波被注入GdIG绝缘体并在其中扩散，通过逆自旋霍尔效应（ISHE）在第二个Pt条带中检测自旋积累。
• 系统测量了非局域电压信号在补偿温度（~310 K）附近的温度与磁场依赖性。
• 利用原子尺度自旋动力学模拟计算自旋波谱，包括模式频率与极化，以解释实验测得的MMR响应。
• 分析自旋波模式（α与β）的频率与极化随温度与磁场的变化，以关联观测到的信号变化。
• 理论建模考虑了塞曼分裂与温度依赖的亚晶格磁化变化，特别是Gd亚晶格的变化，以解释模式演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 GdIG中不同自旋波模式的热布居如何影响非局域磁阻（MMR）信号？
• RQ2 为何MMR信号在补偿温度略低时随磁场增加而出现意外增强？
• RQ3 具有相反极化的自旋波模式对GdIG中检测到的自旋流的相对贡献如何？
• RQ4 在补偿温度附近非共线磁态如何影响自旋波输运与MMR？
• RQ5 α与β自旋波模式的频率漂移与布居变化在多大程度上可解释MMR信号的磁场与温度依赖性？

主要发现

• 非局域MMR信号在补偿温度略低时随磁场增加而增强，与预期相反，表明其具有非单调磁场依赖性，与自旋波布居调控密切相关。
• α模式（红色）表现出微弱的温度依赖性，并因塞曼分裂而线性随磁场变化，与FMR类似模式一致。
• β模式（蓝色），为交换模式，因亚晶格磁化变化（特别是Gd亚晶格）而表现出强烈的温度依赖性，其频率在Tcomp以下随磁场增加而上升。
• 在Tcomp以下观测到的MMR信号增强，归因于磁场诱导的β模式（具有相反极化）布居减少，从而削弱了破坏性干涉，增强了净自旋流。
• MMR信号未出现符号反转，排除了α与β模式以相反极化贡献相等的可能性，表明在200 nm Pt条带间距下α模式主导信号。
• 数据表明，在GdIG中，特别是接近补偿点时，自旋波布居动力学而非仅输运特性，是决定MMR响应的关键因素。