[论文解读] Spin Dependent Transport in Magnetic Nanostructures

S. Maekawa|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 13

一句话总结

本文综述了磁性纳米结构中的自旋依赖输运，重点研究了自旋注入至非磁性金属、半导体和超导体时产生的自旋积累与自旋电流。提出在超导结中实现自旋-电荷分离可实现通过偏置电压调控的隧道磁阻（TMR）与临界电流调制，关键结果表明在纳米超导体/铁磁异质结构中，自旋积累导致TMR振荡并抑制超导性。

ABSTRACT

Recent progress in physics on spin dependent transport in magnetic nanostructures is reviewed. Special attention is paid on the spin accumulation and spin current caused by spin injection into non-magnetic metals and semiconductors and superconductors. A variety of phenomena induced in nano-superconductor/ferromagnet devices are proposed, examining the spin-charge separation in superconductors.

研究动机与目标

• 研究通过铁磁电极自旋注入在非磁性材料中产生自旋积累与自旋电流的机制。
• 探讨纳米超导体/铁磁异质结构中自旋积累与超导性的相互作用。
• 考察通过隧道输运与异常霍尔效应在超导体中自旋-电荷分离的作用。
• 提出双隧道结与三端结构等器件构型，以实现自旋电流与自旋积累的探测。
• 证明偏置电压可通过自旋积累抑制超导性并调制临界电流，为超导器件中的自旋电子学控制提供新途径。

提出的方法

• 分析具有两个铁磁电极和一个中心非磁性或超导岛的双隧道结器件，使用电阻分别为R1和R2的隧道势垒。
• 通过当铁磁体磁化方向反平行时中心岛中自旋不平衡来建模自旋积累，从而产生自旋向上与自旋向下电子数密度差导致的净磁化。
• 应用隧道磁阻（TMR）公式 TMR = P²/(1 - P²) 来量化正常态器件中自旋积累的影响，其中TMR在超导态中因电压依赖的能隙抑制而呈现振荡。
• 利用关系式 Jc ∝ Δ³ 将超导临界电流抑制与自旋积累引起的超导能隙Δ减小联系起来。
• 研究三端自旋注入器件，其结构为铁磁/顺磁/铁磁三明治结构，通过依赖于磁结构的电压差来探测自旋积累。
• 研究自旋极化电流输运中的异常霍尔效应，表明霍尔电压与自旋电流成正比，证实该效应源于自旋电流而非电荷电流散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋注入至非磁性金属或半导体如何导致可测量的自旋积累及其相关磁阻？
• RQ2 自旋积累对纳米超导体/铁磁结中超导能隙有何影响？
• RQ3 能否通过自旋积累调制超导结中的临界电流？其与偏置电压和自旋极化率的关系如何？
• RQ4 在铁磁体系中，异常霍尔效应在多大程度上源于自旋电流而非电荷电流？
• RQ5 超导体中的自旋-电荷分离如何在输运特性（如隧道电导率与霍尔电压）中体现？

主要发现

• 在两个磁化方向反平行的铁磁电极之间的非磁性岛中，自旋积累导致净磁化，可测量的隧道磁阻（TMR）为 P²/(1 - P²)，其值为标准铁磁隧道结的一半。
• 在超导结中，当偏置电压超过 eV/2 ∼ Δ/P 时，自旋积累会抑制超导能隙Δ，导致临界电流 Jc ∝ Δ³ 下降。
• 在超导双隧道结中，由于电压依赖的超导能隙抑制，隧道磁阻（TMR）随偏置电压呈现振荡行为。
• 在超导体系中，异常霍尔效应源于自旋电流而非电荷电流，因为库珀对（携带电荷）不与杂质散射，而准粒子（携带自旋）会散射。
• 采用长自旋扩散长度材料（如GaAs或超导体）的三端自旋注入器件因载流子密度低而增强自旋信号，从而更有效地探测自旋积累。
• Au/YBa2Cu3O7/LaAlO3/Nd2/3Sr1/3MnO3结的实验数据证实，随着注入电流增加，临界电流受到抑制，尤其当第二个铁磁体具有低自旋极化率时更为显著。