[论文解读] Scaling of the thermally induced sign inversion of longitudinal spin Seebeck effect in a compensated ferrimagnet: Role of magnetic anisotropy

Amit Chanda, Noah Schulz+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 58被引用 30

一句话总结

本研究展示了在补偿型Gd3Fe5O12（GdIG）亚铁磁薄膜中，热致纵向自旋塞贝克效应（LSSE）的普遍标度规律，其中LSSE信号在磁补偿温度（TComp）以下发生符号反转。符号反转与磁易轴取向密切相关：面内各向异性导致LSSE数据在TComp附近实现普遍标度坍缩，而面外各向异性则导致显著不同的LSSE响应，凸显磁各向异性作为自旋热电器件的关键调控参数。

ABSTRACT

We report on a systematic investigation of the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in a GGG(Gd3Ga5O12)/GdIG(Gd3Fe5O12)/Pt film series exhibiting an in-plane magnetic easy axis with a compensation temperature (T_Comp) that decreases from 270 to 220 K when decreasing GdIG film thickness from 272 to 31 nm, respectively. For all the films, the LSSE signal flips its sign below T_Comp. We demonstrate a universal scaling behavior of the temperature dependence of LSSE signal for our GdIG films around their respective T_Comp. Additionally, we demonstrate LSSE in a 31 nm GdIG film grown on a lattice-mismatched GSGG (Gd3Sc2Ga3O12) substrate that exhibits an out-of-plane magnetic easy axis at room temperature. However, this sample reveals a spin reorientation transition where the magnetic easy axis changes its orientation to in-plane at low temperatures. We observed a clear distinction in the LSSE signal for the GSGG/GdIG(31 nm)/Pt heterostructure, relative to GGG/GdIG(31nm)/Pt showing an in-plane magnetic easy axis. Our findings underscore a strong correlation between the LSSE signal and the orientation of magnetic easy axis in compensated ferrimagnets and opens the possibility to tune LSSE through effective anisotropy.

研究动机与目标

• 研究补偿型亚铁磁GdIG薄膜在磁补偿温度（TComp）附近的纵向自旋塞贝克效应（LSSE）的普遍标度行为。
• 确定磁各向异性——特别是磁易轴取向（面内与面外）——对LSSE信号的影响。
• 探讨应变诱导磁各向异性在调控GdIG/Pt异质结构LSSE响应中的作用。
• 建立磁各向异性与补偿型亚铁磁体中LSSE信号温度依赖性的相关性。

提出的方法

• 系统制备GdIG薄膜厚度在31至272 nm范围内的GGG/GdIG(t)/Pt(5 nm)异质结构，其中TComp随厚度减小而降低。
• 利用X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜结构与表面形貌。
• 采用SQUID-VSM和极向磁光克尔效应（p-MOKE）测量磁性与磁化强度。
• 通过自谐振隧道二极管振荡器（TDO）实现射频横向磁化率（TS）测量，以探测磁各向异性。
• 采用自制的PPMS基装置测量LSSE，实现精确控制的温度梯度（ΔT < ±2 mK），并通过纳伏表检测ISHE电压。
• 以TComp为参考点对LSSE数据进行重标度，以检验不同薄膜厚度下的普遍标度坍缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 补偿型亚铁磁体中LSSE信号的温度依赖性在TComp附近是否表现出普遍标度行为？
• RQ2 磁易轴取向（面内与面外）如何影响GdIG/Pt异质结构中的LSSE信号？
• RQ3 磁各向异性，特别是应变诱导各向异性，在多大程度上决定LSSE信号的符号与大小？
• RQ4 是否可通过工程化GdIG薄膜中的磁各向异性来调控LSSE响应？

主要发现

• 所有具有面内磁易轴的GdIG/Pt异质结构在各自TComp以下均表现出LSSE信号的符号反转，证实了亚晶格磁化反转的作用。
• 所有具有面内各向异性的GdIG薄膜的温度依赖性LSSE数据在以TComp重标度后，均坍缩为单一普遍曲线，证明了普遍标度行为的存在。
• 在晶格失配的GSGG衬底上生长的31 nm厚GdIG薄膜在室温下表现出面外磁易轴，该结果通过射频横向磁化率测量得到验证。
• GSGG/GdIG(31 nm)/Pt异质结构的LSSE信号表现出与具有面内各向异性的GGG/GdIG(31 nm)/Pt样品显著不同的外加磁场依赖性，表明各向异性对自旋流生成具有强烈影响。
• 在GSGG/GdIG(31 nm)/Pt样品中观测到的自旋重取向转变——即低温下易轴从面外转向面内——与LSSE响应的变化相关，进一步将各向异性与LSSE联系起来。
• 结果表明，磁各向异性，特别是磁易轴的取向，是调控补偿型亚铁磁体中LSSE信号的关键参数。