Спиновый эффект Зеебека

Спиновый эффект Зеебека (Spin Seebeck Effect, SSE) представляет собой явление, при котором градиент температуры в магнитном материале порождает спиновую намагниченность, а следовательно, и спиновый ток, без участия электрического тока. Это открытие, впервые экспериментально подтверждённое в начале 2000-х годов, стало важным шагом в развитии спинтроники, поскольку позволяет генерировать спиновые токи из тепловой энергии, расширяя возможности термоэлектрических и спиновых устройств.

Механизм возникновения спинового эффекта Зеебека

Ключевой принцип SSE заключается в следующем: при наличии температурного градиента ∇T внутри магнитного материала наблюдается неравновесное распределение спиновых возбуждений — магнонов.

  1. Магноны как носители спина Магноны — это квазичастицы, представляющие коллективные возбуждения спиновой решётки в ферромагнетиках и ферримагнетиках. Они несут угловой момент (спин) и могут переносить его через материал без переноса заряда.

  2. Температурный градиент и поток магнонов Когда одна часть магнитного образца нагревается, плотность термически возбуждённых магнонов в горячей зоне выше, чем в холодной. Возникает направленный поток магнонов от горячей области к холодной, что создает спиновый ток Js.

  3. Взаимодействие с нормальными металлами Для детектирования спинового тока часто используют нормальные металлы с сильным спин–орбитальным взаимодействием (например, платину). На границе ферромагнетика и металла спиновые токи преобразуются в электрические напряжения через эффект обратного спинового Холла (Inverse Spin Hall Effect, ISHE).

Классификация спинового эффекта Зеебека

Существуют несколько вариантов SSE, различающихся по геометрии эксперимента:

  1. Продольный спиновый эффект Зеебека (Longitudinal SSE)

    • Градиент температуры направлен перпендикулярно плоскости ферромагнетика.
    • Спиновый ток течёт вдоль температурного градиента и выводится на металл с сильным спин–орбитальным взаимодействием.

  2. Поперечный спиновый эффект Зеебека (Transverse SSE)

    • Градиент температуры параллелен поверхности материала.
    • Спиновый ток возникает в направлении, перпендикулярном и градиенту температуры, и намагниченности.

  3. Локальные и нелокальные конфигурации

    • Локальные SSE измеряются непосредственно на контакте горячей и холодной зон с металлом.
    • Нелокальные SSE демонстрируют перенос спина на расстояния, значительно превышающие размеры контакта, что указывает на дальнодействие магнонов в магнитных изоляторах.

Теоретические модели

Для описания SSE используются различные подходы:

  1. Классическая модель магнонового транспорта Поток магнонов Jm описывается уравнением диффузии:

    Jm = −Dm∇nm

    где Dm — коэффициент диффузии магнонов, nm — плотность магнонов.

  2. Термодинамический подход Рассматривается обмен углового момента на границе ферромагнетика и нормального металла через спиновые проводимости. Напряжение ISHE определяется как:

    VISHE ∝ θSH (Js × σ)

    где θSH — угол спинового Холла, σ — направление спина.

  3. Квантовая теория Учитывает квантовое распределение магнонов по Бозе–Эйнштейну и влияние спин–фононного взаимодействия на генерацию спинового тока.

Материалы для наблюдения SSE

Для реализации SSE выбираются следующие типы материалов:

  • Ферромагнитные изоляторы: Yttrium Iron Garnet (YIG), обеспечивающие малые потери магнонов.
  • Ферромагнитные металлы: NiFe, CoFe, где SSE комбинируется с обычными термоэлектрическими эффектами.
  • Антиферромагнитные материалы: Cr2O3, MnF2, демонстрирующие спиновые токи без магнитного момента на макроскопическом уровне.

Экспериментальные методы измерения

  1. Использование эффекта обратного спинового Холла (ISHE)

    • Подключение нормального металла с высокой спиновой проводимостью к магнитному образцу.
    • Измерение электрического напряжения, пропорционального спиновому току.

  2. Локальное термометрирование

    • Точные измерения температуры на микро- и наноуровне позволяют корректно определить градиенты температуры, обеспечивая количественную оценку SSE.

  3. Оптические методы

    • Использование эффекта Керра для визуализации распределения спиновой намагниченности.

Важные особенности и физическая интерпретация

  • SSE не требует электрической проводимости в магнитном материале — спиновые токи могут существовать в изоляторах.
  • Эффект демонстрирует сильную зависимость от толщины и чистоты ферромагнитного слоя, а также от температуры.
  • Дальнодействие магнонов позволяет использовать SSE в нелокальных спиновых устройствах и магнонных цепях.
Оглавление