[论文解读] Orbital Pumping by Magnetization Dynamics in Ferromagnets

Dongwook Go, Kazuya Ando+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Magnetic Properties of Alloys被引用 4

一句话总结

本文提出，铁磁体中的磁化动力学可通过自旋-轨道耦合产生非平衡轨道角动量（轨道泵浦），类似于自旋泵浦。第一性原理计算表明，轨道泵浦的大小为自旋泵浦的5–15%，在Ni中最强，在Fe中最弱，这解释了在Ti/Ni异质结中观测到显著轨道泵浦，而在Ti/Fe异质结中则被抑制的实验现象。

ABSTRACT

We show that dynamics of the magnetization in ferromagnets can pump the orbital angular momentum, which we denote by orbital pumping. This is the reciprocal phenomenon to the orbital torque that induces magnetization dynamics by the orbital angular momentum in non-equilibrium. The orbital pumping is analogous to the spin pumping established in spintronics but requires the spin-orbit coupling for the orbital angular momentum to interact with the magnetization. We develop a formalism that describes the generation of the orbital angular momentum by magnetization dynamics within the adiabatic perturbation theory. Based on this, we perform first-principles calculation of the orbital pumping in prototypical $3d$ ferromagnets, Fe, Co, and Ni. The results show that the ratio between the orbital pumping and the spin pumping ranges from 5 to 15 percents, being smallest in Fe and largest in Ni. This implies that ferromagnetic Ni is a good candidate for measuring the orbital pumping. Implications of our results on experiments are also discussed.

研究动机与目标

• 建立铁磁体中轨道泵浦作为轨道力矩逆效应的理论框架。
• 利用第一性原理方法量化3d铁磁体（Fe、Co、Ni）中轨道泵浦相对于自旋泵浦的大小。
• 解释在Ti/Ni与Ti/Fe异质结中轨道泵浦实验差异的原因，其中Ni表现出强信号而Fe则近乎完全抑制。
• 探讨自旋-轨道耦合与电子结构在实现轨道泵浦中的作用，尤其关注d壳层填充不同的体系。
• 为未来通过逆轨道霍尔效应或相关现象探测轨道角动量生成提供理论基础。

提出的方法

• 基于绝热微扰理论的形式化方法，描述磁化动力学对轨道角动量的生成。
• 推导轨道角动量对磁化进动的线性响应的格林函数表达式。
• 使用包含自旋-轨道耦合的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算Fe、Co和Ni中轨道泵浦张量分量。
• 计算响应函数χαβL随能量展宽（Γ）的变化，以评估其鲁棒性与本征行为。
• 分析轨道泵浦对d电子填充与洪特规则行为的依赖性，比较Fe（d6）、Co（d7）与Ni（d8）。
• 将理论预测与Hayashi等人关于Ti/Ni和Ti/Fe异质结的实验数据进行比较，重点关注轨道泵浦的直流分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁磁体中的磁化动力学能否产生非平衡轨道角动量？若能，其基本机制是什么？
• RQ2 在Fe、Co、Ni等3d铁磁体中，轨道泵浦的大小与自旋泵浦相比如何？
• RQ3 为何在Ti/Ni异质结中可观测到轨道泵浦，而在Ti/Fe异质结中却几乎完全缺失，尽管理论预测存在？
• RQ4 自旋-轨道耦合如何介导磁化动力学与轨道角动量之间的耦合？
• RQ5 d壳层电子填充与洪特规则行为在决定轨道泵浦强度方面起什么作用？

主要发现

• 轨道泵浦作为轨道力矩的逆效应而产生，其机制依赖于自旋-轨道耦合，以实现轨道角动量与磁化的相互作用。
• 轨道泵浦与自旋泵浦的比值在Fe中为5%，在Ni中高达15%，表明其强烈依赖于d电子填充的洪特规则行为。
• 第一性原理计算证实，Ni表现出最强的轨道泵浦，是实验探测的最理想候选材料。
• Ti/Fe异质结中轨道泵浦的实验抑制无法仅用体相Fe的性质解释，表明界面传输效应起主导作用。
• 能量展宽（Γ）依赖性分析表明，由于自旋-轨道耦合能标较小，轨道泵浦对散射更敏感，相较于自旋泵浦。
• 理论预测与近期关于逆轨道霍尔效应和轨道塞贝克效应的实验结果一致，支持铁磁异质结构中基于轨道角动量现象的可行性。