[论文解读] Origin of the spin Seebeck effect probed by temperature dependent measurements in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$

Stephan Geprägs, Andreas Kehlberger+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 3

一句话总结

本研究调查了 Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 异质结构中的温度依赖性自旋塞贝克效应（SSE），揭示了由于 Fe 和 Gd 磁性亚晶格的贡献，SSE 信号出现两次显著的符号变化。首次在约 280 K 处的突变符号反转对应于磁性补偿点处 Fe 亚晶格的重新取向，而第二次在 65–85 K 附近的渐变符号变化则表明低温下 Gd 亚晶格自旋波的主导作用逐渐增强，表明净自旋流源于多种自旋波模式之间复杂的相互作用，而非简单的磁化复制。

ABSTRACT

We probe the spin Seebeck effect in Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$/Pt hybrid structures as a function of temperature and observe two sign changes of the spin Seebeck signal with decreasing temperature. A first sign change occurs at a temperature close to the Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$ magnetic compensation point at around 280 K. There the spin Seebeck signal changes sign abruptly with unaltered amplitude, indicating that the spin current is mainly caused by the magnetic Fe sub-lattices, which reorient their directions at this temperature. A second, more gradual sign change takes place around the ordering temperature of the Gd sub-lattice in the range of 65-85 K, showing that the Gd magnetic sub-lattice dominates the thermally driven spin current at lower temperatures. These sign changes together with the non-monotonous dependence of the spin Seebeck signal on the temperature demonstrate that the magnonic spin current is not simply replicating the effective magnetization of Gd$_{3}$Fe$_{5}$O$_{12}$. Rather, the thermally generated net spin current results from a complex interplay of the three magnetic sub-lattices involved.

研究动机与目标

• 通过探测其温度依赖行为，理解多铁性 Gd₃Fe₅O₁₂（GdIG）中自旋塞贝克效应（SSE）的起源。
• 解决观测到的 SSE 符号变化与简化双亚晶格模型预测之间的差异。
• 确定 Fe 和 Gd 磁性亚晶格在产生热驱动的磁子自旋流中的各自作用。
• 研究多个具有不同温度依赖磁响应的磁性亚晶格之间的相互作用如何塑造净自旋流。
• 挑战 SSE 信号简单复制亚铁磁绝缘体总磁化的假设。

提出的方法

• 在具有不同结晶取向和基底材料的 Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 异质结构中，进行了温度依赖的纵向 SSE 测量。
• 采用两种互补的实验技术以确保 SSE 信号检测的稳健性。
• 分析 SSE 电压的温度演化，以识别与磁性亚晶格行为相关的临界转变温度。
• 将观测到的 SSE 信号符号变化与已知磁性转变相关联：Fe 亚晶格的补偿点（约 280 K）和 Gd 亚晶格的有序温度（65–85 K）。
• 利用 Pt 中的逆自旋霍尔效应（ISHE）检测由温度梯度产生的磁子自旋流。
• 评估 Fe/Pt 和 Gd/Pt 界面之间自旋混合电导率差异的影响，尽管未对界面电导率进行完整量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着温度降低，Gd₃Fe₅O₁₂/Pt 异质结构中自旋塞贝克效应信号的两次符号变化由何原因引起？
• RQ2 Fe 和 Gd 磁性亚晶格对磁子自旋流的贡献如何随温度演变？
• RQ3 为何首次符号变化发生在低于 Gd₃Fe₅O₁₂ 磁性补偿点的温度？
• RQ4 三种亚晶格（Fe 和 Gd）的复杂自旋波色散关系在多大程度上使简化双亚晶格 SSE 模型失效？
• RQ5 低温下 Gd 亚晶格自旋波的主导作用如何影响净自旋流的方向和大小？

主要发现

• SSE 信号的首次符号变化在约 280 K 处突然发生，与 Gd₃Fe₅O₁₂ 的磁性补偿点一致，表明在此温度范围内 Fe 亚晶格主导了自旋流。
• 第二次更渐进的符号变化发生在 65 K 至 85 K 之间，对应于 Gd 亚晶格长程有序的开始，标志着自旋流过渡为 Gd 主导的磁子自旋流。
• 首次符号变化的突变性归因于磁性补偿点处 Fe 亚晶格磁化的突然重新取向，而第二次转变的渐进性则反映了 Gd 自旋波热激发态的逐渐增加。
• 观测到的 SSE 信号并未简单跟随 Gd₃Fe₅O₁₂ 的总磁化强度，表明净自旋流源于不同亚晶格产生自旋波模式之间非平凡的相互作用。
• SSE 信号的温度依赖性是非单调的，无法用假设单一主导磁性贡献的简单模型解释，表明需要更复杂的理论处理。
• 结果表明，Fe/Pt 与 Gd/Pt 界面之间自旋混合电导率的差异可能对观测行为有所贡献，尽管该效应在本研究中未进行定量分析。