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IX ESCOLA BRASILEIRA DE MAGNETISMO
Processos de Geração e Manipulação de Correntes Puras
de Spin em Estruturas Magnéticas Híbridas
Antonio Azevedo
Departamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco
Recife, PE
Colaboradores: S. Rezende, R. Rodríguez-Suárez, Eduardo Padron, L. H. Vilela-Leão,
Rafael Otoniel, G. L. da Silva Vilela, Obed Alves, Gabriel Fonseca, Marcio M. Soares…
“for the discovery of giant magnetoresistance”
A. Fert P. Grünberg
nm
Descoberta combinou dois conceitos:
• Engenharia de fabricação em nanoescale: Sandwiches com magnetizações apontando emdireções diferentes
•A corrente torna-se “spin polarizada” e flui em dois canais separados (“up” e “down”) com diferentes resistividades – Modelo de duas correntes de Mott
Elétron!
Partícula com carga elétrica negativa (q = -e)
e spin ½ (momento magnético m = mB)
Eletrônica = manipulação de elétrons pelo uso de sua
carga para gerar e processar sinais.
O spin é (quase) completamente desprezado!
semicondutor (Si) gás de elétrons (2D)
dreno
portafonte
óxido (SiO2)metal
MOSFET
Portas lógicas,
RAM,...
http://www.pbs.org/transistor/science/info/transmodernex.html
Magnetician = o elétron é visto como um momento de
dipolo magnético.
Magnetismo = desenvolve e utiliza materiais que
manipulam o spin eletrônico com o objetivo de
obter e entender a interação entre os mesmos!
A carga elétrica representa um papel secundário!
Spintrônica ou Magneto-eletrônica:
combinação de eletrônica e magnetismo,
onde a carga e o spin do elétron são
simultaneamente utilizados!
NOVOS FENÔMENOS FÍSICOS!
NOVAS APLICAÇÕES!
E do ponto de vista do magnetismo? O que é um elétron?
Principal aplicação: armazenamento dados em alta escala!
1999 - Spin Hall effect (SHE) (teoria)
2002 - Corrente pura de spin e “spin pumping” (teoria)
2006 - Observação experimental de SHE e ISHE
2008 - Descoberta do efeito spin Seebeck
2010 - Fenômenos com correntes de spin em isolantes magnéticos
Novo ímpeto para a Spintrônica
Spin CurrentEdited by Sadamichi Maekawa, Sergio O. Valenzuela, Eiji Saitoh,
and Takashi Kimura
Series on Semiconductor Science and Technology 17, 26 July 2012
Handbook of Spin Transport and MagnetismEdited by Evgeny Y. Tsymbal and Igor Žutić
CRC Press Taylor & Francis Group, 2012
Spin Hall Effects in MetalsAxel Hoffmann
IEEE TRANS. ON MAGNETICS, VOL. 49, NO. 10, OCTOBER 2013
• O que é uma corrente de spin
• Efeito Hall de Spin
• Efeito Hall inverso de spin
• Spin pumping
• Efeito Seebeck de spin
• Realização experimental
Corrente de spin
O que é uma corrente de spin?
É um fluxo de momento angular
de spin!
Momento angular de spin
Corrente de spin (fluxo de momento angular)
Importante em spintrônica!
Carga elétrica ( + ou - )
Corrente de carga (fluxo de carga)
Importante em eletrônica!
Em amostras massivas os elétrons “perdem” a memória de seus spins nas colisões
Livre caminho médio
Corrente elétrica em amostras macroscópicas
Na eletrônica convencional o spin dos elétrons é completamente desprezado!
• CORRENTE PURA DE CARGA (por elétrons de condução)
Corrente de carga finita: JC ( = J↑+J↓) ≠ 0
Corrente de spin nula: JS ( = J↑- J↓) = 0
Seção tranversal
Fluxo de carga sem fluxo de spin!
CondutorCorrente pura de carga
• CORRENTE PURA DE SPIN (por elétrons de condução)
Corrente de carga nula: JC ( = J↑+J↓) = 0
Corrente de spin finita: JS ( = J↑- J↓) ≠ 0
Condutor
Fluxo de spin sem fluxo de carga!
Seção transversal
Corrente pura de spin
COMO GERAR CORRENTES PURAS DE SPIN?
Efeito Hall de spin (redescoberto em 1999)
Efeito de spin pumping (proposta teórica 2002
Efeito Seebeck de spin (descoberto em 2008)
Efeito Hall Clássico
E. H. Hall (1879)
Efeito Hall de Spin (Dyakonov & Perel 1971; Hirsch 1999)
I Corrente de carga
Metal (NM) com forte
interação spin órbita
(Pt, Pd)
H
• EFEITO HALL DE SPIN (SHE) [Dyakonov & Perel 1971; Hirsch 1999]
Acumulação de spin-up
Acumulação de spin-down
V = 0
Corrente de spin JS
Corrente de carga JC
Metal (NM)
com forte
interação
spin-órbita
(Pt, Pd)
Elétrons com spins opostos em JC são defletidos para lados opostos do
filme criando corrente de spin.
S-OUS-OµL×
S
)( CSHS JJ
Corrente de carga corrente de spin
H
• EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) [Hirsch 1999, Saitoh 2006]
V ≠ 0
Corrente de carga JCCorrente de spin JS
S-O
US-OµL×
S
Corrente de spin corrente de cargaJC =qSH (
s ´
JS)
spin-up spin-down
H
FM NM
)(tm
Js
Pure spin current
Spin-pumping: técnica simples para injetar corrente pura de spin em um meio NM
Usando a geração de corrente pura de spin poderemos testar o efeito Hall inverso de spin
medindo-se uma tensão elétrica!
2002- A. Brataas, Y. Tserkovnyak,
G.E Bauer, B. I. Halperin
Spins em precessão na camada FM
“bombeiam” corrente de spin (momentum
angular) na camada NM que produz
amortecimento (spin pumping damping)
Corrente de spinPrecessão de spinsSPE
t
MM
M
gJ r
S
24
Spin mixing
conductance
FM (Ni81Fe19)
NM (Pt)
Si
Ag
- --
Ilustração do conceito!
+ ++
V
m(t)
Azevedo, A. et al., JAP 97, 10C715 (2005)
Saitoh, H. et al. Appl. Phys. Lett., v. 88, p. 182509, 2006.
Não explicou como a corrente de
spin gera a corrente de carga
Observação de spin pumping
Explica a geração de VDC em termos de
spin-pumping e ISHE
FMR signal
ΔV
yxz mymxMzM ˆˆˆ
yxByx SVNgm ,, )/(m
Landau-Lifshitz equation with exchange (without losses)
yx immm
m0
M
k
tkirkiem)t,r(m
0
Spin waves: semi-classical treatment
Spin waves are quantized: number of magnons2
0m
MMM
DHM
t
Mi
2
/2k
tkirkiem)t,r(m
0Travelling spin wave
Standing spin wave
Spin waves: semi-classical interpretation
Azevedo UFPE, Recife (Brazil)
Portadores de informação
Eletrônica:
Spintrônica:
Magnon
spintrônica:
IS (= I↑ - I↓) ≠ 0
Corrente de spin
Corrente de carga
IC ( = I↑+I↓)≠0
Corrente de spin
Descobriu o efeito Seebeck em 1821
Diferença de temperatura entre dois metais distintos com uma junção gera
uma diferença de potencial
Thomas Seebeck (1770-1831)
TSJC TSV
Coeficiente Seebeck
ou termopotência
Efeitos termo-elétricos: Efeito Seebeck
Gradiente de temperatura gera corrente de spin
TSSJJJS )(
ISHE
ISHEPt (10 nm)Ni81Fe19 (20 nm)
In FM metálicos a corrente de
spin é transportada pelos spin
dos elétrons de condução
Corrente de calor Corrente de spin
36
ΔT dependence of V
The magnitude of V is
proportional to ∇T.
The sign of V is reversed
between the lower and the
higher temperature ends.
Temperature difference
ISHE voltage induced by
the spin-Seebeck effect
Efeito spin Seebeck - SSE
37
Efeito spin Seebeck também em FM isolantes
Em FM isolantes a corrente de
spin é transportada por ondas de
spin (magnons)
Conversão entre correntes
Inter-conversão entre correntes de carga, spin e calor, amplia muito
as possibilidades para processamento de sinais por spintrônica
JQJS
JC
TermoeletricidadeSpintrônica
Spin caloritrônica
VISHE
FM (Ni81Fe19)
NM (Pt)
Si
Ag
- -- + ++
m(t)
SJ
SSHC JJ Corrente de carga criada por corrente
de spin pelo ISHE
Detecção elétrica de FMR (Spin pumping + ISHE)
200 Oe
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Sig
na
l d
P/d
H (
arb
. u
nits)
Magnetic field H (kOe)
Permalloy film (60 nm)
Relaxação em ressonância ferromagnética
0.70 0.75 0.80 0.85 0.900.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Sig
na
l d
P/d
H (
arb
. u
nits)
Magnetic field H (kOe)
dH
Yttrium Iron Garnet (28 µm)-YIG (Y3Fe5O12)
2.50 2.55 2.60 2.65 2.70
-60
-40
-20
0
20
40
60
Sig
na
l d
P/d
H (
arb
. u
nits)
Magnetic field H (kOe)
H2
H 24 Oe
2.57 2.58 2.59 2.60
-60
-40
-20
0
20
40
60
Sig
na
l d
P/d
H (
arb
. u
nits)
Magnetic field H (kOe)
H 0.8 Oe
30 Oe
Linhas de FMR alargam por fator 5-10 devido ao spin pumping
Alargamento das linhas de FMR em YIG/Pt
FMR em 9.4 GHz
2.50 2.55 2.60 2.65
Sig
nal dP
/dH
(arb
. units)
H = 0°
HH
(a)
5.07 5.12 5.17 5.22
(b)H = 90°
H
H
2.50 2.55 2.60 2.65
(c)
Sig
nal dP
/dH
(arb
. units)
Magnetic Field H (kOe)
H = 0°
HH
5.07 5.12 5.17 5.22
(d)
Magnetic Field H (kOe)
H = 90°
Filme de YIG
(28 µm)
YIG/Pt(10 nm)
2.50 2.55 2.60 2.65
Sig
nal d
P/d
H (
arb
. units)
H = 0°
HH
(a)
5.07 5.12 5.17 5.22
(b)H = 90°
H
H
2.50 2.55 2.60 2.65
(c)
Sig
nal d
P/d
H (
arb
. units)
Magnetic Field H (kOe)
H = 0°
HH
5.07 5.12 5.17 5.22
(d)
Magnetic Field H (kOe)
H = 90°
Copper base
Pt (6 nm)
YIG (8 µm)
GGGH
T
Peltier
module
Longitudinal spin Seebeck effect in YIG/Pt
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
-10
-5
0
5
10
T12 K
T8 K
T4 K
Vo
lta
ge
V (mV
)
Magnetic field H (kOe)-5 0 5 10 15
-10
-5
0
5
10
H = - 1kOe
H = + 1kOe
Vo
lta
ge
(mV
)
T (K)
Modelo para o SSE longitudinal
JS in FM created
by T gradient
0),(1
),()(),( 0
rkfFrkfv
kfrkfkrk
k
Find magnon distribution in
T gradient and JS
FM NMm
SJ
Tsp
SJ
JS created by spin
pumping
JS in FM carried by spin waves -magnons
Boltzmann Eq.
TgTBJ effS )( SSHISHE JRCV
JC generated
by ISHE ISHEV
Se a corrente de spin Js gerada por spin pumping produz
amortecimento, é possivel controlar a relaxação pela Js criada
por efeito spin Seebeck?
Controle da relaxação de ondas de spin por SSE
Pulsed RF
generator
Oscilloscope
Amplifier
Detector
H
YIG film
GGG
k
Duroid base
Pt (6 nm)
YIG (8 µm)
GGG
H
f = 1.59 GHz
AMPLIFICATION
Peltier module
HEATING
0 100 200
0.0
0.1
Sig
na
l (V
)
Time (ns)Field H changed to
maintain same delay
ΔT = 0ΔT = 1.5 KΔT = 2.7 KΔT = 3.7 KΔT = 5.2 K
Pt layer deposited on YIG film
Controle da relaxação de ondas de spin por SSE
Duroid base
Pt (6 nm)
YIG (8 µm)
GGG
H
f = 1.59 GHz
Peltier module
COOLING
ATTENUATION
Field H changed to
maintain same delay0 100 200
0.0
0.1
Sig
na
l (V
)
Time (ns)
ΔT = 0
ΔT = -3.0 K
Controle da relaxação de ondas de spin por SSE
T difference creates spin current Js
Spin current changes the
spin pumping damping
gf vLt /t = 0
YIG JS
fk tTti
kk eectc)'(
)0()(
relaxation rate Damping due to T gradientSpin-wave variable
Model for SW amplification by thermal gradient
Model for relaxation due to thermal gradient
Boltzmann equation
Magnon spin current due to magnon flow
in thermal gradientFM NM
T
SJ
k
k
S vrfkrfV
J
)](),([1
0
Magnon accumulation
)](),([1
0 rfkrfV
nk
m
0),(1
),(),( 0
rkfFrkfvfrkf
krk
k
nSTSS JJJ
Continuity of
spin current
Model for relaxation due to thermal gradient
tgspt 0
FM
eff
sptM
g
4
Total relaxation rate in YIG/Pt
Spin pumping
Always positive
Thermal gradient
Sign depends on T
Tt
Dkb
FMm
Btg
FM NM
ztg
SJ
0T
Spin
accumulation
Enhanced spin pumping
damping
FM NM
ztg
SJ
0T
Spin
depletion
Negative damping
“amplification”
Need NM to inject
spins ( ) 0
Selective amplification of modes by thermal gradients
Spin pumping and T gradients in YIG/Pt structures
FMR
1) dc effect in ferromagnetic resonance: Evidence of the spin-pumping effect?. Journal of Applied Physics,
American Institute of Physics, v. 97, n. 10, p. 10C715, (2005).
2) Amplification of spin waves in yttrium iron garnet films through the spin Hall effect. Applied Physics Letters,
v. 99, p. 192511, (2011).
3) Amplification of spin waves by thermal spin-transfer torque. Physical Review Letters, v. 107, p. 197203,
(2011).
4) Unidirectional anisotropy in the spin pumping voltage in yttrium iron garnet/platinum bilayers. Applied
Physics Letters, v. 99, p. 102505, (2011).
5) Spin pumping and anisotropic magnetoresistance voltages in magnetic bilayers: Theory and experiment.
Physical Review. B, 83, 144402, (2011).
6) Direct current voltage generated in metallic layers by spin pumping. Journal of Applied Physics, v. 109, p.
1/07C910-3, (2011).
7) Amplification of spin waves by the spin Seebeck effect. Journal of Applied Physics, v. 111, p. 07D504,
(2012).
8) Spin current injection by spin Seebeck and spin pumping effects in yttrium iron garnet/Pt structures.
Journal of Applied Physics, v. 111, p. 07C513, (2012).
9) Enhancement of spin wave excitation by spin currents due to thermal gradient and spin pumping in
yttrium iron garnet/Pt. Appl. Phys. Lett. 102, 012401 (2013).
10) Enhanced spin pumping damping in yttrium iron garnet/Pt bilayers. Appl. Phys. Lett. 102, 012402 (2013).
11) Magnetic relaxation due to spin pumping in thick ferromagnetic films in contact with normal metals, Phys.
Rev. B, 88, 014404 (2013).
12) Controlling the relaxation of propagating spin waves in yttrium iron garnet/Pt bilayers with thermal
gradients, Phys. Rev. B, 87, 184401 (2013).
Trabalhos publicados no DF-UFPE em: spin pumping, spin Hall, spin Seebeck
Sumário
A área de SPINTRÔNICA está em rápida evolução oferecendo
ótimas oportunidades de pesquisa básica e aplicada com uma
variedade de fenômenos novos.
APOIONUMAG
MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO
Part I1: E. Saitoh: Introduction2: E. Saitoh & K. Ando: Incoherent spin current3: E. Saitoh & K. Ando: Exchange spin current4: E. Saitoh: Topological spin current5: K. Takanashi: Spin-polarization in magnets6: A. Hirohata: Optically Induced and Detected Spin Current7: S. E. Barnes: Theory of spin-motive-forces in ferromagnetic structures8: A. Brataas: Spin Pumping and Spin Transfer9: G. E. W. Bauer: Spin Caloritronics10: N. Nagaosa: MultiferroicsPart II11: S. O. Valenzuela: Introduction12: S. Maekawa & S. Takahashi: Spin Hall Effect13: J. Nitta: Spin generation and manipulation based on spin-orbit interaction in semiconductors14: S. O. Valenzuela & T. Kimura: Experimental observation of the spin Hall effect using electronic nonlocal detection15: E. Saitoh & K Ando: Experimental observation of the spin Hall effect using spin dynamics16: J. Wunderlich: Spin-injection Hall effect17: S. Murakami: Quantum spin Hall effect and topological insulators18: E. Saitoh & K. Uchida: Spin-Seebeck effectPart III19: T. Kimura: Introduction20: Y. Suzuki: Spin torque in uniform magnetization21: T. Kimura & Y. Otani: Magnetization switching due to nonlocal spin injection22: Y. Otani: Magnetic domains and magnetic vortices23: T. Ono: Spin transfer torque in non-uniform magnetic structure24: S. Zhang: Spin torques due to large Rashba fields
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