[论文解读] Spin-Pumping-Induced Inverse Spin Hall Effect in Nb/Ni80Fe20 Bilayers and its Strong Decay Across the Superconducting Transition Temperature

Kun-Rok Jeon, Chiara Ciccarelli+6 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究调查了Nb/Ni80Fe20双异质结中由自旋泵浦引起的逆自旋霍尔效应（iSHE），在室温下测得铌（Nb）的自旋霍尔角 θSH ≈ −0.001，自旋扩散长度 lsd ≈ 30 nm。当温度低于Nb的超导转变温度 Tc 时，iSHE电压迅速衰减，这是由于准粒子（QP）电荷不平衡弛豫长度显著减小所致，表明在超导态下，QP介导的自旋-电荷转换受到严重抑制。

ABSTRACT

We quantify the spin Hall angle θSH and spin-diffusion length lsd of Nb from inverse spin Hall effect (ISHE) measurements in Nb/Ni80Fe20 bilayers under ferromagnetic resonance. By varying the Nb thickness tNb and comparing to a Ni80Fe20/Pt reference sample, room temperature values of θSH and lsd for Nb are estimated to be approximately -0.001 and 30 nm, respectively. We also investigate the ISHE as a function of temperature T for different tNb. Above the superconducting transition temperature Tc of Nb, a clear tNb-dependent T evolution of the ISHE is observed whereas below Tc, the ISHE voltage drops rapidly and is below the sensitivity of our measurement setup at a lower T. This suggests the strong decay of the quasiparticle (QP) charge-imbalance relaxation length across Tc, as supported by an additional investigation of the ISHE in a different sample geometry along with model calculation. Our finding suggests careful consideration should be made when developing superconductor spin Hall devices that intend to utilize QP-mediated spin-to-charge interconversion.

研究动机与目标

• 通过 Nb/Ni80Fe20 双异质结中的逆自旋霍尔效应（iSHE）测量，量化铌（Nb）的自旋霍尔角（θSH）和自旋扩散长度（lsd）。
• 研究 iSHE 在 Nb 超导转变温度 Tc 附近的温度依赖性。
• 理解准粒子（QP）介导的自旋输运在超导自旋电子学中的作用。
• 评估在 Tc 以下利用 Nb 基器件实现 QP 介导的自旋-电荷转换的可行性。

提出的方法

• 采用铁磁共振（FMR）自旋泵浦在 Nb/Ni80Fe20 双异质结中产生纯自旋流。
• 测量 iSHE 电压随 Nb 厚度（tNb）和温度（T）的变化，与 Ni80Fe20/Pt 参考样品进行比较。
• 通过在倾斜磁场下的自旋进动效应估算 Nb 中的自旋寿命。
• 建立理论模型以描述 QP 介导的 iSHE，包含 QP 电阻率、自旋扩散长度和电荷不平衡衰减。
• 模型中纳入了侧向跃迁和倾斜散射机制对 QP 自旋霍尔角（θSH_Q）的贡献。
• 通过数值模拟和样品几何结构变化（如倒置的 Nb/Ni80Fe20 结构和未图案化的结构）验证了观测到的 T 依赖性 iSHE 衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 Nb/Ni80Fe20 异质结中的 iSHE 测量，室温下 Nb 的自旋霍尔角（θSH）和自旋扩散长度（lsd）的值是多少？
• RQ2 Nb/Ni80Fe20 双异质结中的 iSHE 电压如何随温度变化，跨越超导转变温度 Tc？
• RQ3 为什么 iSHE 电压在 Tc 以下迅速衰减，其背后的物理机制是什么？
• RQ4 准粒子（QP）电荷不平衡弛豫长度在超导 Nb 中对 iSHE 的影响程度如何？
• RQ5 观测到的 iSHE 行为是否能通过包含 QP 输运和自旋轨道耦合的理论模型加以解释？

主要发现

• 基于 iSHE 测量与 Ni80Fe20/Pt 参考样品的比较，估算得出 Nb 的自旋霍尔角（θSH）在室温下约为 −0.001。
• 估算得出 Nb 的自旋扩散长度（lsd）在室温下约为 30 nm。
• 在 Tc 以上，iSHE 电压明显依赖于 Nb 厚度（tNb），与正常态中的自旋输运行为一致。
• 在 Tc 以下，iSHE 电压迅速衰减，并在低温下变得不可检测，表明准粒子（QP）介导的自旋-电荷转换受到强烈抑制。
• 该衰减现象归因于超导态下 QP 电荷不平衡弛豫长度的显著减小，经模型计算和不同几何结构样品的附加测量得到证实。
• 结果表明，在开发依赖 QP 介导自旋-电荷转换的超导体基自旋霍尔器件时，必须精心设计器件几何结构。