열적 스핀 끌림을 이용한 종방향 스핀의 측정
Measurement of longitudinal spin by thermal spin drag
스핀 열전효과 (spin-thermoelectric effect) 는 쓸모 없는 열에너지를 전기 에너지로 어느정도 환원시킬 수 있다는 점과 자성 절연체에서 자화 상태 (magnetic state) 를 전기적으로 측정할 수 있다는 점 (물론 비자성 중금속이 보통 필요하다.) 에서 주목을 받고 있다. 특히 자성 절연체 / 중금속의 접합 구조에서 스핀 제벡 효과 (spin Seebeck effect, [Nature 455, 778 (2008)]) 및 스핀 네른스트 자기저항 (spin Nernst magnetoresistance, [Nat. Commun. 8, 1400 (2017)]) 을 이용해 magnetic state를 측정할 수 있다는 사실이 잘 알려져 있다.
이 두 효과는 (magnetic state 측정의 측면에서) 같은 한계점을 가지고 있는데, 종방향 (longitudinal direction) 스핀 정보를 알 수 없다는 것이다. 즉, 자화 방향이 온도 구배 (thermal gradient) 방향과 평행한지, 반평행한지를 구분해 낼 수 없다는 말이다. 그런데 본 연구를 수행한 MIT 소재과 G.S.D. Beach 그룹은 자성 절연체인 TmIG (Thulium Iron Garnet, Tm3Fe5O12) 위에 spin detector 인 Pt strip을 올려놓고 TmIG 의 자성이 +(-)z 에서 –(+)z 로 뒤집힐 때 Pt에서의 열전 효과가 바뀌는 현상을 관측했고, 이를 열적 스핀 끌림 (Thermal spin drag) 을 이용해 설명했다.
앞서 spin Seebeck effect 와 spin Nernst magnetoresistance는 수직 스핀 정보를 알 수 없다고 하였는데, 그럼 어떤 원리로 수직 스핀 정보를 읽을 수 있었을까? 논문에 써 있는 바로는, 다음 세 과정을 통해 일어난다. (1) 우선 수직 방향의 thermal gradient가 magnon (spin wave 의 양자이다.) 을 열적으로 여기(excite)시킨다. (2) Pt 쪽이 차갑고 TmIG 쪽이 뜨거우므로, magnon flow 가 Pt 쪽으로 형성된다. 이것이 Pt Fermi level 전자의 스핀을 불균형하게 만든다. (3) 여기에 면내 방향의 thermal gradient 가 제벡 효과에 의해 Pt의 전자를 움직이고, 스핀 홀 효과에 의해 업 스핀을 가진 전자와 다운 스핀을 가진 전자가 나뉘게 된다. (2)에서 Pt의 전자 스핀 분포가 불균형한 상태가 되었으므로, 전기적으로 이를 측정할 수 있게 된다. (마치 비정상 홀 효과 처럼)
개인적으로 이 논문은 이론적으로나 실험적으로 흥미로운 부분이 많다고 생각한다. 본 논문에는 위와 같은 정성적인 설명으로 끝이라, 이론적으로 엄밀하게 접근할 수 있는 부분이 있을 것 같기도 하고, 원리적으로는 자성을 가지고 있으면 발생해야 하는 효과라 다른 물질군에서 어떤 식의 신호가 나올지도 공부해 볼만 하다고 생각한다. 또한 종방향 스핀류를 측정했다는 것에서 여러 자성소자들을 평가할 때 응용이 가능할 것이라고 생각한다.
작성 이근희
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참석자:
원운재, 박재현, 이택현, 김현규, 송무준, 양지석