[论文解读] Transport between metals and magnetic insulators

Jiang Xiao, G. Bauer|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 5被引用 13

一句话总结

本文为铁磁绝缘体-正常金属界面处的自旋与热输运建立了线性响应理论，预测了普适的自旋塞贝克与珀尔帖系数、自旋-磁子压缩电流以及磁子珀尔帖效应。该理论建立了温度梯度、自旋积累与磁场之间的昂萨格互惠关系，揭示了接近普适的自旋塞贝克热功率为33 μV/K。

ABSTRACT

We derive the Onsager response matrix of fluctuation-mediated spin-collinear transport through a ferromagnetic insulator and normal metal interface driven by a temperature difference, spin accumulation, or magnetic field. We predict magnon-squeezing spin currents, magnetic field-induced cooling (magnon Peltier effect), temperature induced magnetization (thermal magnetic field) as well as universal spin Seebeck/Peltier coefficients.

研究动机与目标

• 为铁磁绝缘体-正常金属（FI–N）界面处的自旋与热输运发展统一的线性响应框架。
• 识别并预测由热涨落与磁涨落驱动的新自旋电子学现象，包括磁子珀尔帖效应与热有效场。
• 建立由温度差、自旋积累与外磁场驱动的输运过程的昂萨格互惠关系。
• 量化FI–N异质结构中的普适自旋塞贝克系数与界面热导率。
• 估算在脉冲磁场作用下非平衡磁化的弛豫时间，关联至磁子积累与化学势动力学。

提出的方法

• 在弱扰动与保持对称性的场条件下，利用线性响应理论推导FI–N界面的昂萨格响应矩阵。
• 应用涨落-耗散定理，通过玻色-爱因斯坦分布与吉尔伯特阻尼，将磁涨落与自旋流及热流关联。
• 采用三 reservoir 模型，将磁子（在FI中）、电子（在N中）与声子的热化过程分离，假设各 reservoir 处于局部平衡。
• 利用涉及磁子态密度与阻尼参数的自旋-磁子导电公式，评估界面热导率。
• 使用含随机噪声的朗道-李夫希茨-吉尔伯特方程，计算脉冲磁场下磁化的时域演化，并从对场脉冲的响应中推导弛豫时间。
• 将非平衡磁化偏移识别为由外场驱动的磁子积累，与磁子凝聚体中的化学势概念相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热、自旋与磁场偏置下，控制FI–N界面自旋与热流的普适输运系数是什么？
• RQ2 尽管在零温下自旋转移力矩为零，为何铁磁绝缘体中的热涨落仍能介导正常金属中的纵向自旋流？
• RQ3 磁子珀尔帖效应的本质与大小为何？它如何通过昂萨格互惠关系与自旋塞贝克效应关联？
• RQ4 脉冲磁场如何诱导瞬态非平衡磁化？其特征弛豫时间是多少？
• RQ5 界面自旋与热导率能否用与材料参数（如刚度或各向异性）无关的普适常数表示？

主要发现

• 预测自旋塞贝克系数为接近普适常数的33 μV/K，其值在所考虑的参数范围内与自旋波刚度、单轴各向异性和温度无关。
• 预测了一种新颖的自旋-磁子压缩电流，源于在热涨落存在下自旋积累与磁场的相互作用。
• 磁子珀尔帖效应被识别为自旋塞贝克效应的互惠效应，可实现由自旋流注入引起的热流。
• 预测了一种热有效场（或“热磁场”），作为自旋塞贝克效应的昂萨格互惠量，由温度梯度产生。
• 界面自旋-磁子热导率估计为~0.76×10⁸ W/(m²·K)，与Al–Al₂O₃界面的电子-声子导率相当。
• 在室温下，脉冲磁场下非平衡磁化的弛豫时间估计约为~2 ns，低温下增至~50 ns，其值依赖于磁子谱与阻尼。