Спиновая накачка

Генерация спинового тока

Спиновая накачка — это динамическое создание чистого спинового тока посредством когерентной прецессии магнитных моментов , которая может эффективно инжектировать спин из магнитного материала в соседний немагнитный материал. Немагнитный материал обычно содержит спиновый эффект Холла , который может преобразовывать инжектированный спиновый ток в зарядное напряжение, которое легко обнаружить. Эксперимент по спиновой накачке обычно требует электромагнитного облучения для индуцирования магнитного резонанса , который преобразует энергию и угловые моменты электромагнитных волн (обычно микроволн ) в магнитную динамику , а затем в электроны, что позволяет осуществлять электронное обнаружение электромагнитных волн. Работа устройства спиновой накачки может рассматриваться как спинтронный аналог батареи . ^[1]

Спиновая накачка включает в себя эффект переменного тока и эффект постоянного тока:

• Эффект переменного тока генерирует спиновый ток, который колеблется на той же частоте, что и источник микроволн.
• Эффект постоянного тока требует, чтобы магнитная динамика была круговой или эллиптической поляризации , тогда как линейные колебания могут генерировать только переменную составляющую.
• Оба эффекта приводят к общему усилению эффективного магнитного затухания . ^[2]

Спиновая накачка в ферромагнетиках

Спиновый ток, накачиваемый в соседний слой прецессирующим магнитным моментом, определяется выражением ^[2]

${\displaystyle {\vec {j}}_{s}={\hbar \over {4\pi }}g^{\uparrow \downarrow }{1 \over M_{S}^{2}}\langle {\vec {M}}(t)\times {{d{\vec {M}}(t))} \over {dt}}\rangle }$

где — спиновый ток (вектор указывает ориентацию спина, а не направление тока), — проводимость спинового смешивания, характеризующая спиновую прозрачность интерфейса, — намагниченность насыщения, — зависящая от времени ориентация момента. ${\displaystyle {\vec {j}}_{s}}$ ${\displaystyle g^{\uparrow \downarrow }}$ ${\displaystyle M_{S}}$ ${\displaystyle {\vec {M}}(t)}$

Также изучаются оптические, микроволновые и электрические методы. ^[3] Эти устройства могут быть использованы для маломощной передачи данных в спинтронных устройствах ^[4] или для передачи электрических сигналов через изоляторы. ^[5]

Спиновая накачка в антиферромагнетиках

Спиновая накачка в антиферромагнитных материалах не исчезает, поскольку антипараллельные магнитные моменты вносят конструктивный, а не деструктивный вклад в спиновый ток, что было теоретически предсказано в 2014 году. ^[6] Поскольку частота антиферромагнитного резонанса ^[7] намного выше, чем частота ферромагнитного резонанса , спиновая накачка в антиферромагнетиках может быть использована для изучения электромагнитных сигналов в субтерагерцовом и терагерцовом режимах, что было продемонстрировано двумя независимыми экспериментами в 2020 году. ^{[8] [9]}

Помимо более высокой частоты, спиновая накачка в антиферромагнетиках характеризуется хиральной степенью свободы магнитной динамики, которая отсутствует в ферромагнетиках. Например, спиновые токи, накачиваемые левыми и правыми резонансными модами, противоположны по направлению.

Ссылки

1. Brataas, Arne; Tserkovnyak, Yaroslav; Bauer, Gerrit EW; Halperin, Bertrand I. (2002-08-29). "Спиновая батарея, работающая на ферромагнитном резонансе". Physical Review B . 66 (6): 060404. arXiv : cond-mat/0205028 . Bibcode :2002PhRvB..66f0404B. doi :10.1103/PhysRevB.66.060404. ISSN  0163-1829. S2CID  118915925.
2. Y Tserkovnyak; et al. (2002). "Enhanced Gilbert Damping in Thin Ferromagnetic Films". Physical Review Letters . 88 (11): 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Bibcode : 2002PhRvL..88k7601T. doi : 10.1103/PhysRevLett.88.117601. PMID  11909427. S2CID  23781506.
3. C Sandweg; et al. (2011). "Спиновая накачка параметрически возбужденными обменными магнонами". Physical Review Letters . 106 (21): 216601. arXiv : 1103.2229 . Bibcode : 2011PhRvL.106u6601S. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.216601. PMID  21699324. S2CID  14519388.
4. GE Bauer и Y Tserkovnyak (2011). "Спин-магнонная трансмутация". Physics . 4 : 40. Bibcode :2011PhyOJ...4...40B. doi : 10.1103/Physics.4.40 .
5. Y Kajiwara (2010). «Передача электрических сигналов путем спин-волнового взаимопревращения в магнитном изоляторе». Nature . 464 (7286): 262–266. Bibcode :2010Natur.464..262K. doi :10.1038/nature08876. PMID  20220845. S2CID  4426579.
6. Cheng, Ran; Xiao, Jiang; Niu, Qian; Brataas, Arne (2014-07-29). "Спиновая накачка и крутящие моменты спинового переноса в антиферромагнетиках". Physical Review Letters . 113 (5): 057601. arXiv : 1404.4023 . Bibcode : 2014PhRvL.113e7601C. doi : 10.1103/PhysRevLett.113.057601. PMID  25126936. S2CID  18667703.
7. Кеффер, Ф.; Киттель, К. (1952-01-15). «Теория антиферромагнитного резонанса». Physical Review . 85 (2): 329–337. Bibcode : 1952PhRv...85..329K. doi : 10.1103/PhysRev.85.329. ISSN  0031-899X.
8. Li, Junxue; Wilson, C. Blake; Cheng, Ran; Lohmann, Mark; Kavand, Marzieh; Yuan, Wei; Aldosary, Mohammed; Agladze, Nikolay; Wei, Peng; Sherwin, Mark S.; Shi, Jing (2020-02-06). "Спиновый ток от антиферромагнитных магнонов, генерируемых на субтерагерцовом диапазоне". Nature . 578 (7793): 70–74. Bibcode :2020Natur.578...70L. doi :10.1038/s41586-020-1950-4. ISSN  0028-0836. PMID  31988510. S2CID  210926321.
9. Вайдья, Приянка; Морли, Софи А.; ван Тол, Йохан; Лю, Янь; Ченг, Ран; Братаас, Арне; Ледерман, Дэвид; дель Барко, Энрике (10.04.2020). «Субтерагерцовая спиновая накачка из изолирующего антиферромагнетика». Science . 368 (6487): 160–165. arXiv : 2005.01203 . Bibcode :2020Sci...368..160V. doi :10.1126/science.aaz4247. ISSN  0036-8075. PMID  32273462. S2CID  213395321.

Смотрите также

• Спинтроника
• Спиновая волна
• Спиновый эффект Холла