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May 25, 2023

拡散とマグノンの相互作用

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9280 (2023) この記事を引用 241 アクセス メトリクスの詳細 直径 45 nm の相互接続されたナノワイヤの熱起電力の測定結果

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9280 (2023) この記事を引用

241 アクセス

メトリクスの詳細

純Fe、希薄FeCuおよびFeCr合金、およびFe/Cu多層からなる直径45 nmの相互接続されたナノワイヤネットワークの熱起電力の測定結果を示します。 Fe ナノワイヤの熱出力値は、70 ～ 320 K の間で研究されたすべての温度において、バルク材料で見られる熱出力値に非常に近いです。純粋な Fe の場合、室温での拡散熱出力は約 - 15 \(\upmu\)V と推定されます。私たちのデータからの /K は、30 \(\upmu\)V/K に近い、推定された正のマグノン抗力寄与に大きく取って代わられます。 希薄な FeCu および FeCr 合金では、不純物濃度が増加するにつれてマグノン抗力熱出力が減少し、不純物含有量 10\(\%\) で約 10 \(\upmu\)V/K になることがわかります。 純粋な Fe と比較して、FeCu ナノワイヤ ネットワークでは拡散熱力はほとんど変化しませんが、FeCr ナノワイヤでは大部分のスピン電子の状態密度の顕著な変化により大幅に減少します。 Fe(7 nm)/Cu(10 nm) 多層ナノワイヤで行われた測定では、他の磁性多層で以前に見られたように、熱力に対する電荷キャリアの拡散の主な寄与と、マグノンドラッグ効果の相殺が示されています。 Fe/Cu 多層ナノワイヤで測定された磁気抵抗効果と磁気ゼーベック効果により、Fe のスピン依存ゼーベック係数を推定できます。これは、室温で約 − 7.6 \(\upmu\)V/K です。

強磁性金属では、電子はスピン波によって散乱されます。 これらの材料が温度勾配にさらされると、マグノン電流が高温領域から低温領域に流れ、電子システムと相互作用します。 フォノン抗力効果をもたらすフォノンによる散乱と同様に、電子とマグノンの相互作用は、ゼーベック係数にプラスに寄与するマグノン抗力効果を生み出す可能性があります。 磁性材料の絶対熱起電力は、次の 3 つの独立した寄与の合計によって近似的に求められます。

ここで、\(S_\text {d}\) は従来の電子拡散部分、\(S_\text {p}\) はフォノンドラッグ寄与、\(S_\text {md}\) はマグノンです。 -ドラッグ貢献。 金属内の拡散熱力は、温度勾配によって引き起こされる電子のフェルミ ディラック分布の非平衡から生じます。 モットの公式1によれば、次のように書くことができます。

ここで、e は素電荷、\(\lambda (\varepsilon )\) は領域 \(\Sigma\) のフェルミ面上の電子の平均自由行程であり、導関数はフェルミ エネルギーで評価されます。 したがって、拡散熱力は、電子構造の変化と電子を散乱させる機構の両方に対して非常に敏感です。 以前の研究から、magnon-drag の理論は phonon-drag1 の理論に厳密に従い、\(S_\text {md}\) は次のように表現できることがわかりました 1,2,3

ここで、 \(\tau _\text {em}\) はマグノンと電子の衝突の散乱時間、 \(\tau _\text {m}\) はマグノンの総運動量緩和時間、 n は電子密度、 \ (C_\text {m}\) 単位体積あたりのマグノン比熱容量。 過去数十年にわたってさまざまな材料に対して実験的および理論的研究が行われてきたにもかかわらず、マグノン抗力効果の存在に関する実験的証拠を得るのは依然として困難です。 その理由の 1 つは、熱電電力をさまざまなコンポーネントに分離することが比較的複雑であることです。 先駆的な研究として、Blatt et al.4 は広い温度範囲にわたって鉄の熱出力を測定し、Fe ではマグノン抗力が支配的な役割を果たしていると結論付けました。 マグノン抵抗は外部磁場によって徐々に減少すると予想されますが、比較的小さな振幅の影響を示す実験結果はほとんど得られていません 2,5。 薄膜およびバルクの鉄および Fe ベースの合金に関するその後の研究では、マグノン抵抗が熱出力に大きく寄与していることが明らかになりました 3,6,7。 さらに、NiFe ワイヤのマグノン抵抗効果の証拠は、サーモパイルのようなデバイスで行われた測定によって提供されました8。 また、バルク伝導性強磁性体におけるマグノン抗力熱力のためのスピン伝達機構も提案されている9。 最近では、反強磁性の Li ドープ MnTe10 において、熱出力に対する大きなマグノン抵抗の寄与が報告されています。 また、スキルミオン構造を持つ強磁性体のマグノンドラッグ熱電効果が理論的に研究されています11。 さらに、スピンカロリートロニクスと、電荷、スピン、熱流間の結合に関連する新しい効果の出現により、強磁性ヘテロ構造における熱電気の研究に新たな関心が生まれています。 これらの中でも、強磁性体中の熱誘起マグノニックスピン流と、隣接する通常の金属における（逆）スピンホール電圧の生成との間の相互作用から生じるスピンゼーベック効果が特に注目されている12、13、14。 一方、ナノ多孔質テンプレートを使用した電気化学堆積によって得られる強磁性ナノワイヤは、この製造アプローチが非常に汎用性が高く、単一ナノワイヤ、平行ナノワイヤアレイ、ナノワイヤアレイなどのさまざまな磁性ナノワイヤシステムの研究を可能にするため、ここ数十年で多くの注目を集めてきました。相互接続されたナノワイヤネットワーク15、16、17、18、19、20、21。 さらに、この合成アプローチにより、制御された組成の磁性合金や、電流が層面に垂直に流れる多層システム（CPP 構成）を容易に製造できます。これは、巨大磁気輸送特性を調査するのに適した形状です 16,22 、23、24。 相互接続されたナノワイヤ ネットワークは、熱電測定に特に適しています。 実際、このシステムでは、電流と熱電流がナノワイヤ軸に沿ったジグザグの経路をたどって、交差したナノワイヤ膜の面内を全体的に流れます25、26。 この構成により、多孔質テンプレートの薄さに起因して、平行なナノワイヤアレイを含むナノ多孔質膜の面外方向に熱勾配が確立されるときに誤差の主な原因となる熱接触抵抗の問題が大幅に軽減されます。 ナノワイヤネットワークから作られた磁性多層で最近報告された巨大磁気ゼーベック効果により、スピン依存ゼーベック係数などの基本的なスピン熱量パラメータを抽出し、磁気的に活性化される熱電スイッチを実現することが可能になった 25,27,28。