铁磁/反铁磁双层结构中的热磁子输运

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Thermal magnon transport in FM/AFM bilayers

　　•非互易磁振子输运。
•非相对论极限下的反铁磁体磁化。
•反铁磁体中的纯磁振子自旋流。

引言
随着信息处理需求的持续增长，将磁功能集成到电子器件中是一种有前景的方法[1], [2]。在此背景下，研究有序磁态的激发至关重要。这些激发被称为自旋波，其量子化形式称为磁振子[3]。磁振子在特定磁环境中的行为对于优化未来的自旋电子器件具有重要意义[4]。当磁振子代替电子作为信息载体时，可以利用绝缘磁性材料而非导体，从而减少欧姆热和电能消耗[5], [6], [7], [8]。

自旋塞贝克效应描述了热梯度可以产生自旋流这一事实[9]。这些自旋流可以通过逆自旋霍尔效应[10]进行电学检测，利用非磁性Pt条纹将自旋流转换为电荷流[11]。同时，自旋塞贝克效应已在多种体材料中观察到，包括磁性导体[12]、半导体[13]、绝缘体[14]，甚至半金属霍斯勒化合物[15]。

众所周知，反铁磁体（AFM）通常在与相邻铁磁体（FM）的界面处表现出不完全的亚晶格磁化补偿，这一效应可用于自旋流的转换[16]。利用这一效应，最近设计了一种YIG/CoO/Co异质结构，作为自旋阀结构，其中磁振子自旋流可以通过两个铁磁层的取向来切换[5]。研究发现，通过共振自旋泵浦发射的检测到的自旋流取决于YIG和Co磁化强度的相对排列（平行或反平行）。对GdIG和NiO双层及三层结构中特定磁振子模式的局部激发表明，透射模式的性质（如穿透长度和振幅）取决于激发频率、偏振以及界面耦合[17], [18]。在FM/AFM/FM三层结构中，也研究了邻近效应诱导的磁振子，即使在热平衡下，相邻的FM也能在中心层中诱导反铁磁序[19]。总的来说，这些研究表明FM/AFM界面可以充当偏振相关的磁振子自旋过滤器，产生超出单个磁性薄膜性质的新特性。

在这项工作中，我们研究了FM与AFM接触的双层结构中磁振子的热输运，重点关注由于两种材料中自旋波色散的不同特性以及非互易输运导致的磁振子模式过滤。我们使用了两种设置：一种是对FM进行热激发，并在AFM中测量磁振子传播；另一种相反，对AFM进行激发，并研究FM中的输运。通常，当AFM的两个磁振子能带不分裂时，人们不会预期在AFM体相中通过磁振子产生任何角动量热输运，因为两个能带的贡献会相互抵消[20]。然而，在我们的设置中，由于手性磁振子从FM单向流入AFM，在AFM中观察到自旋积累，并且在没有任何相对论效应或外加磁场的情况下发现了有限的自旋流[21], [22], [23]。这种净磁化可以归因于AFM模式的简并解除，这是由邻近效应引起的非互易磁振子输运导致的。

章节片段
方法：原子自旋动力学
下面，我们使用半经典方法，其中海森堡哈密顿量的自旋算符被归一化自旋矢量????取代：
?=???∑??≠??????,??2 ????????????????∑??=1(??????)2。
这里，第一项代表具有最近邻（NN）交换常数????,??的各向同性交换相互作用，第二项代表具有各向异性常数????的单轴各向异性，该各向异性偏好与±???轴对齐的基态自旋构型。在我们的模拟中，我们使用??FM=10 meV。

双层的平衡性质
为了更好地理解后续的非平衡输运性质，我们首先分析FM/AFM双层的平衡色散关系。图2显示了FM和AFM的磁振子色散。自旋波是圆偏振的，可以看到FM只有一个手性，显示为正频率，而AFM显示出两个手性，显示为正负频率。注意，AFM的布里渊区是

结论
我们研究了铁磁体-反铁磁体双层中磁振子的平衡和非平衡热激发。在平衡态下，我们计算了这种混合样品的磁振子色散，发现FM中只有右手模式，而AFM中既有右手模式也有左手模式。这作为研究非平衡磁振子激发的参考。
为了模拟温度梯度形式的非平衡热激发，我们在

CRediT作者贡献声明
Moumita Kundu：写作–初稿，可视化，软件，正式分析。Ulrich Nowak：写作–审阅与编辑，方法学，概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢Levente Rózsa的有益讨论。本项目由德国研究基金会（DFG）通过项目No. 425217212（SFB 1432，项目B02）提供财政支持。我们感谢康斯坦茨大学科学计算集群（SCCKN）提供的计算资源。

Moumita Kundu|Ulrich Nowak