[论文解读] Quantum spin-transfer torque and magnon-assisted transport in nanostructures

Scott A. Bender, R. A. Duine+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一套理论框架，用于理解纳米尺度磁性结中的量子自旋涨落，表明量子自旋涨落会诱导一种独特的量子自旋转移力矩，从而在不依赖自旋波辅助输运的情况下改变磁阻。其关键贡献在于识别出一种温度依赖的量子效应，该效应可区分电荷输运中量子与热自旋涨落的不同表现。

ABSTRACT

We theoretically investigate the role of spin fluctuations in charge transport through a magnetic junction. Motivated by recent experiments that measure a nonlinear dependence of the current on electrical bias, we develop a systematic understanding of the interplay of charge and spin dynamics in nanoscale magnetic junctions, starting from a simple model for spin-dependent transport in the presence of spin fluctuations. Our model captures two distinct features arising from these fluctuations: magnon-assisted transport and spin-transfer torque alteration of the magnetoconductance. We show that as the temperature is lowered, the latter effect arises from quantum rather than thermal spin fluctuations and that this quantum spin-transfer torque is readily distinguishable from magnon-assisted transport.

研究动机与目标

• 理解近期磁性结实验中观测到的非线性电流-偏压依赖性。
• 研究纳米尺度下自旋涨落在电荷输运中的作用。
• 区分自旋涨落引起的自旋波辅助输运与自旋转移力矩效应。
• 识别低温下量子自旋转移力矩的出现。

提出的方法

• 构建包含自旋涨落的磁性结中自旋依赖输运的理论模型。
• 采用系统性方法分析纳米尺度系统中电荷与自旋动力学的相互作用。
• 通过研究温度依赖的输运行为，区分热自旋涨落与量子自旋涨落。
• 分析磁阻响应，以识别自旋波辅助输运与自旋转移力矩的贡献。
• 应用最小模型，将量子效应与自旋动力学中的经典热涨落分离。
• 推导出低温下量子自旋转移力矩占主导地位的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋涨落在磁性纳米结构的电荷输运中起什么作用？
• RQ2 在存在自旋涨落的情况下，自旋波辅助输运与自旋转移力矩效应有何区别？
• RQ3 与热涨落相比，量子自旋转移力矩在低温下如何出现？
• RQ4 量子自旋转移力矩能否在实验中与自旋波辅助输运区分开来？

主要发现

• 由于量子而非热自旋涨落，低温下出现量子自旋转移力矩。
• 量子自旋转移力矩以不同于自旋波辅助输运的方式改变磁阻。
• 自旋波辅助输运与自旋转移力矩是自旋涨落引起的两种独立贡献。
• 通过其独特的温度依赖性以及在不同电偏压下的行为，量子自旋转移力矩效应可被识别。
• 该模型预测，在足够低的温度下，量子效应主导自旋转移力矩。
• 量子与热自旋涨落之间的区别在非线性电流-偏压响应中可实验观测。