Interazione tra diffusione e magnon

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9280 (2023) Citare questo articolo

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Vengono presentati i risultati delle misurazioni sulla potenza termoelettrica di reti di nanofili interconnessi di 45 nm di diametro costituiti da Fe puro, leghe FeCu e FeCr diluite e multistrati Fe/Cu. I valori di termopotenza dei nanofili di Fe sono molto vicini a quelli riscontrati nei materiali sfusi, a tutte le temperature studiate tra 70 e 320 K. Per il Fe puro, il termopotere di diffusione a temperatura ambiente, stimato intorno a −15 \(\upmu\)V /K dai nostri dati, è in gran parte soppiantato dal contributo positivo stimato del magnon-drag, vicino a 30 \(\upmu\)V/K. Nelle leghe FeCu e FeCr diluite, si è riscontrato che il potere termico del trascinamento magnon diminuisce con l'aumento della concentrazione di impurità fino a circa 10 \(\upmu\)V/K con un contenuto di impurità di 10\(\%\). Mentre il potere termico di diffusione è quasi invariato nelle reti di nanofili FeCu rispetto al Fe puro, è fortemente ridotto nei nanofili FeCr a causa dei cambiamenti pronunciati nella densità degli stati degli elettroni di spin maggioritari. Le misurazioni eseguite su nanofili multistrato Fe(7 nm)/Cu(10 nm) indicano un contributo dominante della diffusione del portatore di carica alla termopotenza, come precedentemente riscontrato in altri multistrati magnetici, e una cancellazione dell'effetto di trascinamento del magnon. La magnetoresistenza e gli effetti magneto-Seebeck misurati su nanofili multistrato Fe/Cu consentono la stima del coefficiente di Seebeck dipendente dallo spin in Fe, che è circa −7,6 \(\upmu\)V/K a temperatura ambiente.

Nei metalli ferromagnetici gli elettroni vengono dispersi dalle onde di spin. Quando questi materiali sono sottoposti a un gradiente di temperatura, una corrente magnonica fluisce dalla regione calda a quella fredda, interagendo con il sistema elettronico. Similmente alla diffusione da parte dei fononi che porta agli effetti di trascinamento dei fononi, l'interazione elettrone-magnone può produrre effetti di trascinamento dei magnoni che contribuiscono positivamente al coefficiente di Seebeck. Il potere termoelettrico assoluto di un materiale magnetico è approssimativamente dato dalla somma di tre contributi indipendenti:

dove \(S_\text {d}\) è la parte convenzionale della diffusione degli elettroni, \(S_\text {p}\) è il contributo della resistenza dei fononi e \(S_\text {md}\) è il magnone -trascinare il contributo. Il potere termico di diffusione in un metallo deriva dal non equilibrio della distribuzione di Fermi-Dirac degli elettroni causato da un gradiente termico. Secondo la formula di Mott1 si può scrivere:

dove e è la carica elettronica elementare, \(\lambda (\varepsilon )\) è il percorso libero medio degli elettroni su una superficie di Fermi di area \(\Sigma\), e i derivati ​​sono valutati all'energia di Fermi. Il termopotere diffusivo è quindi molto sensibile sia ai cambiamenti della struttura elettronica che ai meccanismi che diffondono gli elettroni. Da lavori precedenti, si è scoperto che la teoria del magnon-drag segue da vicino quella del phonon-drag1 e che \(S_\text {md}\) può essere espresso come1,2,3

dove \(\tau _\text {em}\) è il tempo di diffusione per le collisioni magnoni-elettroni, \(\tau _\text {m}\) il tempo totale di rilassamento della quantità di moto per i magnoni, n la densità elettronica e \ (C_\text {m}\) la capacità termica specifica del magnon per unità di volume. Nonostante il lavoro sperimentale e teorico svolto negli ultimi decenni su diversi materiali, è ancora difficile ottenere prove sperimentali dell’esistenza di effetti di trascinamento magnon. Uno dei motivi è che la separazione dell'energia termoelettrica nelle sue diverse componenti è relativamente complessa. In un lavoro pionieristico, Blatt et al.4 hanno misurato la potenza termica del ferro in un ampio intervallo di temperature e hanno concluso che nel Fe la resistenza magnonica gioca un ruolo dominante. Sebbene si preveda che la resistenza del magnon venga progressivamente ridotta dal campo magnetico esterno, sono stati ottenuti pochi risultati sperimentali, che mostrano effetti di ampiezze relativamente piccole2,5. Studi successivi su film sottile e massa di ferro e leghe a base di Fe hanno evidenziato il contributo significativo della resistenza dei magnoni alla termopotenza3,6,7. Inoltre, la prova dell'effetto di trascinamento del magnon nei fili NiFe è stata fornita da misurazioni effettuate su un dispositivo simile a una termopila8. È stato anche proposto un meccanismo di trasferimento dello spin per la termopotenza magnon-drag nei ferromagneti conduttori di massa9. Più recentemente, un grande contributo di resistenza magnon alla termopotenza è stato segnalato nel MnTe10 antiferromagnetico drogato con litio. Inoltre, è stato studiato teoricamente l'effetto termoelettrico del trascinamento magnon nei ferromagneti con struttura skyrmion11. Inoltre, l'emergere della caloritronica di spin e di nuovi effetti associati all'accoppiamento tra correnti di carica, spin e calore ha creato un nuovo interesse per lo studio della termoelettricità nelle eterostrutture ferromagnetiche. Tra questi, l'effetto di spin Seebeck risultante dall'interazione tra la corrente di spin magnonica indotta termicamente nel ferromagnete e la generazione di una tensione di Hall di spin (inversa) in un metallo normale adiacente ha ricevuto particolare attenzione12,13,14. D'altra parte, i nanofili ferromagnetici ottenuti mediante deposizione elettrochimica utilizzando modelli nanoporosi hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi decenni perché questo approccio di fabbricazione è molto versatile, consentendo lo studio di diversi sistemi di nanofili magnetici, come singoli nanofili, array di nanofili paralleli e reti di nanofili interconnesse15,16,17,18,19,20,21. Inoltre, questo approccio di sintesi consente una facile fabbricazione di leghe magnetiche di composizione controllata nonché di sistemi multistrato in cui la corrente scorre perpendicolare al piano degli strati (configurazione CPP), che è una geometria adatta per studiare le proprietà di trasporto magnetico gigante16,22 ,23,24. Le reti di nanofili interconnesse sono particolarmente adatte per le misurazioni della termopotenza. Infatti, in questo sistema, le correnti elettriche e termiche fluiscono globalmente nel piano della pellicola di nanofili incrociati seguendo percorsi a zigzag lungo gli assi dei nanofili25,26. Questa configurazione riduce notevolmente i problemi di resistenza al contatto termico, una delle principali fonti di errore quando il gradiente termico è stabilito nella direzione fuori dal piano delle membrane nanoporose contenenti array di nanofili paralleli, a causa della sottigliezza dei modelli porosi. I giganteschi effetti magneto-Seebeck recentemente riportati nei multistrati magnetici realizzati da reti di nanofili hanno permesso di estrarre parametri spin-caloritronici fondamentali come i coefficienti di Seebeck dipendenti dallo spin e di realizzare interruttori termoelettrici attivati ​​magneticamente25,27,28.