[论文解读] Spin-current injection and detection in strongly correlated organic conductor

Zhiyong Qiu, Mikio Uruichi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究通过YIG薄膜的自旋泵浦，在强关联有机半导体κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br中实现了自旋电流的注入与探测，观测到反向自旋霍尔效应（ISHE）在约80 K附近显著抑制，这是由于自旋和/或晶格涨落增强所致。该抑制现象为本征效应，而非电阻变化引起，表明在磁性或玻璃转变附近电子关联效应具有显著影响。

ABSTRACT

Spin-current injection into an organic semiconductor $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film induced by the spin pumping from an yttrium iron garnet (YIG) film. When magnetization dynamics in the YIG film is excited by ferromagnetic or spin-wave resonance, a voltage signal was found to appear in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film. Magnetic-field-angle dependence measurements indicate that the voltage signal is governed by the inverse spin Hall effect in $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$. We found that the voltage signal in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$/YIG system is critically suppressed around 80 K, around which magnetic and/or glass transitions occur, implying that the efficiency of the spin-current injection is suppressed by fluctuations which critically enhanced near the transitions.

研究动机与目标

• 通过YIG薄膜的自旋泵浦，研究强关联有机半导体中的自旋电流注入与探测。
• 确认在κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br（κ-Br）中存在反向自旋霍尔效应（ISHE）作为自旋-电荷转换机制。
• 理解κ-Br中自旋电流转换效率的温度依赖性，特别是80 K附近出现异常的区域。
• 确定ISHE电压抑制是否源于自旋霍尔角的变化或YIG/κ-Br界面处自旋电流注入效率的降低。

提出的方法

• 通过在5 GHz频率下激发铁磁共振或自旋波共振，在YIG薄膜中诱导自旋泵浦，将自旋电流注入沉积在YIG上的κ-Br薄膜。
• 制备了双层器件结构，其中5 µm厚的YIG薄膜沉积在GGG衬底上，与铜电极之间由20 nm SiO2层隔开，以防止自旋电流直接注入金属接触。
• 在不同静态磁场和温度条件下，测量铜电极之间的电压信号，并利用磁场方向依赖性来确认ISHE的起源。
• 通过观察磁场反转时电压符号的反转，以及对电压进行电阻归一化（V*/R）以补偿薄膜电阻变化，确认了反向自旋霍尔效应的存在。
• 从80 K至4 K进行电阻和电压的温度依赖性测量，以确定80 K附近异常抑制的根源。
• 理论分析考虑了自旋-轨道耦合（本征）和杂质散射（外禀）对自旋霍尔角的贡献，排除了温度依赖性散射作为抑制原因的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当自旋电流从YIG薄膜注入时，强关联有机半导体κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br中是否会发生反向自旋霍尔效应（ISHE）？
• RQ2 尽管薄膜电阻无显著变化，为何κ-Br中的ISHE电压信号在约80 K处出现临界抑制？
• RQ3 该抑制是由于自旋霍尔角减小，还是YIG/κ-Br界面处自旋电流注入效率降低所致？
• RQ4 在约80 K附近，自旋和晶格涨落如何影响该有机体系中的自旋-电荷转换效率？
• RQ5 所观测到的抑制是否可与κ-Br中的磁性或玻璃转变相关联？这对强关联有机材料中的自旋输运意味着什么？

主要发现

• 在YIG层施加铁磁共振激发后，κ-Br薄膜中观测到明显的电压信号，且在磁场反转时信号符号发生反转，证实了反向自旋霍尔效应（ISHE）的存在。
• 在约80 K附近，ISHE电压信号抑制超过90%，且在该温度以下信号与噪声水平相当，尽管薄膜电阻无显著变化。
• 电压信号的抑制是κ-Br/YIG体系的本征特性，而非由外部热电效应或电阻变化引起，经电阻归一化（V*/R）验证。
• 电压信号的温度依赖性与杂质散射的预测温度依赖性不相关，排除了外禀自旋霍尔角变化作为抑制原因的可能性。
• 该抑制与κ-Br中已知的磁性或玻璃转变相吻合，表明在约80 K附近自旋和/或晶格涨落显著降低了界面处的自旋电流注入效率。
• 结果表明，强关联有机导体中的电子关联和涨落对自旋输运具有显著影响，导致在相变附近自旋-电荷转换效率降低。