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…

A spintrônica de metais teve um novo ímpeto a partir do ano 2000!

“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

I

Polarizadora LivreEspaçador

B

Ferromagnético FerromagnéticoNão-magnético

Válvula de spin

I0 < I

LivreEspaçador

B

Ferromagnético FerromagnéticoNão-magnético

Válvula de spin

Polarizadora

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

Citações de papers em Spintrônica

• 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

Spin-Skew Scattering

+

-

núcleo

elétron

E

B

--

-

From Axel Hoffmann

)()( rVrVV

EvB

SOC

• 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

Se existe o efeito Hall de spin direto,

“deve existir o efeito inverso”!

• 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

Efeito spin pumping!

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

É possível interagir corrente de spin

com ondas de spin?

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

Spin Caloritronics

A new guy on the block!

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

Termo-eletricidade em metais e semicondutores

T

V

K

S

J

J

Q

C

TV ,

Efeitos termoelétricos dependentes de spin?

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)

Efeito spin Seebeck - SSE

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

Alguns experimentos realizados no Recife!

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

46

Medidas de LSSE em função de T

KT 7

KT 3

0 100 200 3000

1

2

3

4

VIS

HE (mV

)

T (K)

TEORIA

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

Control of relaxation by thermal gradients

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