導(dǎo)讀
自旋塞貝克效應(yīng)及其相關(guān)的峽大學(xué)自旋熱電子學(xué)是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該研究工作重點(diǎn)就是自旋展材在鐵磁金屬自旋長(zhǎng)程輸運(yùn)過(guò)程中添加了自旋翻轉(zhuǎn)機(jī)制，揭示了自旋翻轉(zhuǎn)行為對(duì)自旋輸運(yùn)方程的熱輸影響，給出了不同自旋翻轉(zhuǎn)弛豫時(shí)間之間的運(yùn)基簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)，并基于此重新定義了自旋塞貝克系數(shù)的礎(chǔ)理合理表達(dá)式。該研究進(jìn)展對(duì)深刻理解自旋熱輸運(yùn)本質(zhì)有重要意義。論研料牛
自旋塞貝克效應(yīng)（SSE）是究進(jìn)描述自旋在溫度梯度場(chǎng)中的輸運(yùn)現(xiàn)象，自從2008年實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)以來(lái)，峽大學(xué)國(guó)內(nèi)外已取得了許多重要進(jìn)展，自旋展材如人們不僅在鐵磁金屬、熱輸半導(dǎo)體、運(yùn)基絕緣體以及反鐵磁材料中觀察到SSE效應(yīng)，礎(chǔ)理也可采用自旋塞貝克成像展示材料微觀磁結(jié)構(gòu)，論研料牛更重要的究進(jìn)是，它是峽大學(xué)一種產(chǎn)生純自旋流的有效方法，并能對(duì)其近鄰鐵磁層施加轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電控磁的目的。但是，人們對(duì)鐵磁金屬中自旋熱輸運(yùn)過(guò)程還存在諸多不清晰或不準(zhǔn)確的概念和方法，如自旋相關(guān)的化學(xué)勢(shì)問(wèn)題——鐵磁體內(nèi)自旋積累與平衡問(wèn)題、自旋長(zhǎng)程輸運(yùn)過(guò)程中忽略了自旋翻轉(zhuǎn)過(guò)程，即使如自旋塞貝克系數(shù)定義這樣最基礎(chǔ)的概念上，也還存在著模糊不清的認(rèn)識(shí)，這些問(wèn)題的存在極大地阻礙了對(duì)自旋熱輸運(yùn)過(guò)程本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。
針對(duì)上述問(wèn)題，三峽大學(xué)潘禮慶教授課題組與美國(guó)特拉華大學(xué)John Q. Xiao教授、華中科技大學(xué)傅華華教授合作，報(bào)道了其在自旋熱輸運(yùn)理論研究方面的最新研究進(jìn)展，該成果以“Concepts of Spin Seebeck Effect in Ferromagnetic Metals”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004024
對(duì)于自旋塞貝克效應(yīng)，大多數(shù)文獻(xiàn)將材料的自旋塞貝克系數(shù)直接定義為
其中S↑(S↓)和μ↑(μ↓)分別是兩個(gè)自旋通道的塞貝克系數(shù)和化學(xué)勢(shì)。這個(gè)形而上的定義在處理自旋熱電子學(xué)中的某些輸運(yùn)問(wèn)題時(shí)似乎是顯而易見(jiàn)和有效的。然而，從自旋輸運(yùn)的物理性質(zhì)出發(fā)，這種處理是不恰當(dāng)?shù)模驗(yàn)樽孕嚓P(guān)的電導(dǎo)率對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響被忽略了。
本工作中，作者基于線性響應(yīng)理論，在傳統(tǒng)半經(jīng)典玻爾茲曼輸運(yùn)方程中引入了極為重要的自旋翻轉(zhuǎn)機(jī)制，來(lái)解決自旋電子器件尺度受制于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的問(wèn)題，揭示了長(zhǎng)程輸運(yùn)中自旋翻轉(zhuǎn)對(duì)自旋輸運(yùn)特性的影響。
在固體中，電子被聲子、電子或晶格缺陷散射，其波矢由k變?yōu)?em>k′。如果系統(tǒng)宏觀上是均勻的并且散射很弱，電子的運(yùn)動(dòng)可以用費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)f(k,r,t)描述。當(dāng)散射發(fā)生時(shí)，輸運(yùn)方程變?yōu)?/p>
根據(jù)線性響應(yīng)理論，分布函數(shù)f可以寫(xiě)成f=f0+Δf，其中Δf是平衡分布函數(shù)f0的偏移量。在輸運(yùn)計(jì)算中，通常采用弛豫時(shí)間τ近似來(lái)處理碰撞過(guò)程。由碰撞引起的分布函數(shù)變化可以描述為：
對(duì)不同自旋取向的電子，分別有：
考慮自旋翻轉(zhuǎn)：
自旋翻轉(zhuǎn)時(shí)，弛豫時(shí)間由τλ變?yōu)?em>τλ′。由于τ↑↓?τ↑，
，因此，大多數(shù)情況下仍然可以獲得如下形式的自旋相關(guān)輸運(yùn)方程：
本文的另外幾個(gè)重要結(jié)論：第一，給出了自旋輸運(yùn)中重要參量——不同自旋翻轉(zhuǎn)弛豫時(shí)間之間的重要關(guān)聯(lián)：
自旋翻轉(zhuǎn)弛豫時(shí)間遵循以下關(guān)系式：
其中，τ↑↓(τ↓↑)?分別是自旋向上/向下電子翻轉(zhuǎn)為向下/向上的馳豫時(shí)間，n↑(n↓)分別是費(fèi)米面處自旋向上/向下電子數(shù)密度。
第二，在鐵磁金屬內(nèi)部，自旋連續(xù)性方程滿足
其中，μs為自旋積累，μs=μ↑-μ↓；
為自旋流密度，n為電子數(shù)密度。
第三，依據(jù)前面討論的自旋輸運(yùn)方程，本文重新定義了自旋塞貝克系數(shù)：
其中，S↑(S↓)分別是自旋向上/向下通道的塞貝克系數(shù)，σ↑(σ↓)分別是自旋向上/向下通道的電導(dǎo)率。
溫度梯度產(chǎn)生的自旋電流示意圖。在線性溫度梯度下，除邊界附近外，鐵磁金屬內(nèi)部的自旋積累幾乎可以忽略不計(jì)。在離邊界數(shù)個(gè)λsf以內(nèi)的區(qū)域，自旋相關(guān)化學(xué)勢(shì)不再為零，并且由于不對(duì)稱(chēng)的自旋反轉(zhuǎn)而出現(xiàn)自旋積累。
該表達(dá)式能更準(zhǔn)確地反映自旋塞貝克效應(yīng)中材料的本征性質(zhì)。本文的相關(guān)研究結(jié)論對(duì)深刻理解自旋塞貝克效應(yīng)及在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)中自旋輸運(yùn)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)具有開(kāi)拓性的意義。
測(cè)量溫度梯度引起的自旋電流的思想實(shí)驗(yàn)方案
該文以三峽大學(xué)潘禮慶教授和美國(guó)特拉華大學(xué)John Q. Xiao教授為共同通訊作者，青年教師易立志博士和碩士生楊棟超為共同第一作者。該工作得到了華中科技大學(xué)物理學(xué)院傅華華教授的大力支持，并受到國(guó)家自然科學(xué)基金委資助。
本文由作者團(tuán)隊(duì)供稿。
