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Transport de chaleur via les spins

Date post: 26-Oct-2021
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97
Transport de chaleur via les spins Trans.Spins-1 Reference: Stephen R. Boona, Roberto C. Myers and Joseph P. Heremans, Spin Caloritronics, Energy Environ. Sci. 7 885-910 (2014) DOI:10.1039/C3EE43299H Joseph P. Heremans Ohio State University Department of Mechanical and Aerospace Engineering Department of Physics [email protected]
Transcript

Transport de chaleurvia les spins

Trans.Spins-1

Reference: Stephen R. Boona, Roberto C. Myers and Joseph P. Heremans, Spin Caloritronics, Energy Environ. Sci. 7 885-910 (2014) DOI:10.1039/C3EE43299H

Joseph P. HeremansOhio State UniversityDepartment of Mechanical and Aerospace EngineeringDepartment of [email protected]

Types of magnetismDiamagnetism

Uncompensated spin/angular momentum

Free electrons

Permanent atomic moments

Independent atomic moments:Paramagnetism

Cooperatingatomic moments

Ferromagnetism FerrimagnetismAntiferromagnetism

Pauli spinParamagnetism

Landau orbitalDiamagnetism

Band anti / ferromagnetism

T

ME 8194 Ch 7 Magnetism

Elemental excitationsElectrons

with or withoutspin

Phonons Magnons

Trans.Spins-3

Transport

Charge

Heat Magn. Moment

L g

E

Magnon Drag

M

Spin Caloritronics

?

gg

Structure of this lecture1. Longitudinal spin Seebeck2. Spin waves in the Ferromagnet: 

Magnon thermal conductivityThermally driven spin/moment flux

3. Spin polarized electrons and spin/orbit interactions:  Spin Hall effectInverse spin Hall effect

4. At the interface: spin mixing conductance5. Transverse Spin Seebeck effect

Non‐local version of longitudinal spin Seebeck effectGaMnAs: the role of phonons

6. Phonon‐magnon‐electron drag‐induced spin Seebeck effect: GaMnAs7. The giant spin Seebeck effect (InSb): Pure phonon‐electron drag, no magnons8. Phonon diamagnetism9. Applications

Trans.Spins-4

Trans.Spins-5

1. Longitudinal spin Seebeck

Heat Magn. Moment

Spin Caloritronics

Measurements rely on inverse spin-Hall effect:

Spin-Seebeck effect definition

σJE S ISHEISHE D

Grossly exaggerated for effect

TSCoefSeebeckSpin

x

xxy

.

Trans.Spins-6

Longitudinal Spin-Seebeck Effect (LSSE)

Transverse Spin-Seebeck Effect (TSSE)

COLD

HOT

VV1 V2 V3 V4

T, jq

zy

x

Hz

sjsjs

jsEihse

Eihse

Ferromagnet: 

Metal: Pu (Uchida & al, Nature, 2008)Semiconductor: GaMnAs(Jaworski & al, Nat. Mater, 2010)Insulator:  YIG(Uchida & al, Nat. Mater, 2010)

Pt

Ferromagnet: Can only be an Insulator:  YIG(Uchida & al, APL2010) Trans.Spins-7

Theoretical understanding of the SSE1. T drives the magnons out of thermal equilibrium: 1.1 magnon thermal conductivity1.2 phonon‐drag

2. Spin‐torque results from magnons striving back to equilibrium

3. Net spin flux diffuses into Pt

4. Spin‐orbit interactions in Pt convert JS => EISHE

Ferromagnet

ISHE mediumPlatinum

Js

T

• Sinova, Finkelstein, Nat. Commun. 2013• Tserkovnyak, PRB, 2014 • H. Adachi, J.-I. Ohe, S. Takahashi, and S.

Maekawa, PRB 83, 094410 (2011).Trans.Spins-8

Trans.Spins-9

2. In the Ferromagnet:• Magnon thermal conductivity• Thermally driven spin/moment flux

Magnons

Heat Magn. MomentM

Burkard Hillebrands 12th Joint MMM/Intermag Conference Chicago, January 14, 2013

Ferromagnetic spin chain: magnonsMagnetic moments localized on core electrons on atoms (f or d‐levels)

wavevectorwavelength

2k π

Slide by Burkard Hillebrands, U. Kaiserslautern Trans.Spins-10

Spin waves, simple Heisenberg ferromagnet

N

pppJU

112 SS

The ground state has all spins parallel.

Exchange integralpS = angular momentum of spin at site pl

20 2NJSU

Treat spins as classical vectors of magnitude S => The ground state exchange energy is

The excited state has one spin reversed.This increases the excited state energy to

201 8JSUU Too expensive

The excited state has one spin reversed.Much lower energy state is all atoms share a little bit of the spin reversal, and precess.

Trans.Spins-11

Magnon dispersion, ferromagnets222 kJSagHzBk

Tb-YIG,295K & 83K

Plant, J. Phys. C 16 7035 (1983)

(THz)

k100k110

vMAGNON 8500 ms-1

Yttrium Iron Garnet (YIG)Y3Fe2(FeO4)3, or Y3Fe5O12

TCURIE = 550 K, TDEBYE = 538 & 567 K

Trans.Spins-12

Trans.Spins-13

Types of magnons in reality

J. S. Plant, J. Phys. C: Solid State Phys.. 16 (1983) 7037-7051

1 THz = 49 K

Magnons excited by microwaves: 6 GHz• Energies much below thermal magnons• Very high population density by FMR

Magnons below 700 GHz ~ 30 K• Parabolic dispersion (Kittel‐model)• Thermal magnons at T < 40 K• Subthermal magnons at T> 40 K

“Optical‐like” Magnons at 3‐4 THz (150 K) • Dispersion becomes cmplicated

Thermal magnons at room temperature• Dispersion? You judge.

Yttrium Iron Garnet (YIG)Y3Fe2(FeO4)3, or Y3Fe5O12

Magnon density of states D(), ferromagnets

222 kJSagH zBk Magnons have only a single polarization for each value of k

Number of magnon states of frequency between  and +d

/

/)(

zB

zB

gHJSa

gH

, 24

1 , 0

3/2

22

D

zBgH

D

Magnetic fields can freeze out magnons,   10‐4eV/T or 1.3 K / T

Trans.Spins-14

Magnon specific heat

TkE

JSaTk

dTdUTC

dfTU

B

gMBMAGNON exp.)(

)()()(

3/2

2

00

21130

D

C (7T)C(0T)

C(0T) – C(7T)

Mostly phonon specific heat

Phonons + magnons

phonons only

Assuming phonons and magnons are independent, one can assume additivity

Approximate: magnons and phonons hybridize Trans.Spins-15

Magnon specific heat in YIG

TkE

JSaTk

dTdUTC

B

gMBMAGNON exp.)(

3/2

221130

CPHONON T3

CMAGNON T1.1CTOTAL

C(0T) – C(7T)

Mostly phonon specific heat

Trans.Spins-16

Magnon thermal conductivity in YIG

MAGNONMAGNONMAGNONMAGNON vC 31

TOTAL

PHONON

MAGNON

Same idea: freeze out magnons by applying magnetic field

along [100] axis

Trs.Spins-17

Magnon and phonon mean free paths (YIG)

PHONONMAGNON

MFPMAGNON

MFPPHONON

PHONONPHONONPHONONPHONON

MAGNONMAGNONMAGNONMAGNON

vC

vC

3131

5000 ms‐1

8500 ms‐1

crystalthickness

In YIG at low temperature the magnon mean free path  5 to 50 m

Magnons and phonons have comparable mfp’s Tr.Spins-18

Heat current implies spin current

Heat current of spin-wave implies a spin current =>

A temperature gradient implies a magnetization gradient.

MAGNONBM

MAGNONS

MAGNONBQ

MAGNONQ

jgjjj

jTkj

Tj

..

.

Trans.Spins-19

Pure spin current without charge current?  YES

• Spin‐polarized charge carriers• No net charge transport• Net spin transport• Need a spin‐flip transformation at some interface

- p p p p

Power dissipated as heat (phonons) T increases

je > 0

je = 0

Charge current je: conjugate force = voltage difference x electron charge

Spin current jM:

- -

Conjugate force? Magnetization gradientTrans.Spins-20

Treatment of spin flux

• For magnetic systems, the most important thermodynamic variable is magnetization itself, whose conjugate force is just the Landau‐Lifshitz effective field Heff. 

• The (M,Heff) pair enters Onsager symmetry on par with other thermoelectric quantities. In fact, any well‐defined thermodynamic quantity (along with its conjugate force) based on a physical observable would obey Onsager reciprocity.

• In general spin flux is not conserved.  This  does not create any obstacles for invoking Onsager reciprocity for the magnetic dynamics (couple to charge currents, energy currents, mechanical motion etc.).

Tserkovnyak et al, PRB DOI: 10.1103/PhysRevB.79.014402.• In some special cases, when the spin relaxation is weak, one could approximate 

ferromagnetic metals by a two‐fluid model: spin‐up and spin‐down electrons, and use spin‐up and spin‐down densities as well‐defined thermodynamic quantities (which could be approximately conserved) that enter Onsager reciprocity relations. In general, spin‐orbit interaction makes this impossible.

Magnons

Heat Magn. MomentM g

S

Trans.Spins-21

Spin Onsager relations

TS

Te

LLLLLLLLL

jj

ejj

MMMTME

TMTTTE

EMETEE

q

ne

/Fj

LFH

j

M

0

Entropy production

• Reciprocity holds• Neither spin nor heat are conserved• Discussion in Bauer, Tserkovnyak et al., PRB DOI:

10.1103/PhysRevB.81.024427

Trans.Spins-22

Caution 1: Magnon and phonon temperatures are not equal

D. J. Sanders and D. Walton, Phys. Rev. B 15 1489 (1977) MPMP

MP

MP

MP

PM

QM

CCCCA

ALAAxx

jTxT

12

0

)cosh()sinh()(

Magnons don’t couple directly to heat reservoirs

=> they couple through the phonons

=> difference between phonon temperature and magnon temperature during heat conduction

Trans.Spins-23

Caution 2: Sometimes magnons hybridize with phonons

Optical phonon

Transverse Acoustic phonon (TA100)

The whole discussion above is oversimplified: it treated magnons phonons as different and independent particles.

Magnon + phonon hybridizedT < TN T > TN

YMnO3 S. Pailhès et al., Phys. Rev. B 79,134409 (2009)

Trans.Spins-24

3. Spin polarized electrons and spin/orbit interactions:  Spin Hall effectInverse spin Hall effect Electrons

with or withoutspin

Trans.Spins-25

Charge

Magn. Moment

g

Initial theoretical suggestion: M. I. Dyakonov and V. I. Perel,; Perel' Sov. Phys. JETP Lett. 13: 467 (1971). Observation: Y. Kato; R. C. Myers, A. C. Gossard, D. D. Awschalom Science 306 (5703): 1910–1913 (2004). Inverse Spin‐Hall effect:S.O. Valenzuela; M. Tinkham Nature 442(7099): 176–9 (2006)E. Saitoh; M Ueda, H. Miyajima, and G. Tatara Applied Physics Letters 88 (18): 182509 (2006).

Spin polarized band electrons: Stoner model

= EF = EF

Trans.Elec-26

Spin‐Hall and inverse spin‐Hall

Sadamichi Maekawa, Nat. Mater. VOL 8 p777, OCTOBER 2009

Trans.Spins-27

Spin‐Hall effectSpin Hall Effect (SHE) : the appearance of spin accumulation on the lateral surfaces of an electric current‐carrying sample.• Result of spin‐orbit interaction, does NOT require 

magnetization• The signs of the spin directions is opposite on the opposing 

boundaries. • In a cylindrical wire, the current‐induced surface spins will 

wind around the wire. • When the current direction is reversed, the directions of spin 

orientation is also reversed. awsch‐web.physics.ucsb.edu

Experiment:• Application electric field• Measured Kerr rotation as a function of 

magnetic field at two positions: left and right edges

• Observe Lorentzian curves=>out‐of‐plane spin polarization (Hanle effect). 

Trans.Spins-28

Spin‐Hall effect in GaAs

Trans.Spins-29

T. Seki et al., Nature Mater. 7, 125 (2008).Guang-Yu Guo, Sadamichi Maekawa, and Naoto Nagaosa Phys. Rev. Lett. 102, 036401 (2009)

Spin‐Hall effect in Au/Fe

Charge injection

Charge consists of spin-up and spin-down polarized electrons

Scattering depends on spin-polarization

Trans.Spins-30

Inverse Spin‐Hall effectInverse Spin Hall Effect: an electrical current is induced by a spin flow. Due to a space-dependent spin polarization[7]

The existence of both direct and inverse effects is demonstrated in metals and semiconductors.[

σJE S ISHEISHE D

Trans.Spins-31

4. Spin transfer at the interface

Electronswith or without

spin

Magnons

Trans.Spins-32

Charge

Magn. Moment

g

gg

Spin transfer torque and spin pumping

Spin Polarizedmatter

Normal Metal

Spin Polarized

matter

Normal Metal

x

M

x

M

The extreme case of the study of the effect of M

Trans.Spins-33

Spin transfer across interfaces

• Magnon transport in YIG (FM insulator)– by heat current or FMR pumping

• Spin transfer YIGPt at the interface:  exchange interaction between free electrons in 

metal (“s”) and “d”‐electrons on Fe atoms in YIG

e‐

Reversible effect follows Onsager reciprocity• Spin accumulation in Pt (e.g. by spin Hall effect)• Spin transfer PtYIG, generating magnons in YIG• Exponential decay of magnon current  in YIG 

Efficient spin transfer across interface is essential:• FM insulator with very low damping• High interfacial spin mixing conductance g YIG with 

• Excellent structural and magnetic uniformity in bulk and at surface• Clean, atomically sharp YIG/Pt interface: strong interfacial exchange coupling

PtYIG

Trans.Spins-34

Electrical spin pumping: 1. InjectionM. Johnson and R. H. Silsbee, Phys. Rev. 37 5312 (1988)

Partially spin Polarized matter

Normal Metal

Fully spin Polarized matter

Normal Metal

Polarization ratio:

nnn

Trans.Spins-35

Current injection from ferromagnet to normal metal

PMFM

Trans.Spins-36

Current injection

M. Johnson and R. H. Silsbee, Phys. Rev. 37 5312 (1988)

Fully spin Polarized

Normal Metal

V0Apply electrical potential difference V0

Drive electrical current je across interface

Magnetization is injected at a rate proportional to the electric current.

The transport of magnetization is proportional to the magnetization of each electron, B

The injected magnetization current is then:

eB

M je

j

For non-fully polarized FM’s: eB

M je

j

Trans.Spins-37

Interface conductanceDefine interface conductance per unit area

TvEeVjG xFe )(D

2

2

0

DOS Average velocity across interface

transmission probability

Do this for spin up and spin-down electrons separately

TvEeG

TvEeG

xF

xF

)(

)(

D

D

2

22

2

Weak coupling between & subbands =>

In effect, an electrical current is related to a difference in “magnetization potential” across the interface

HMH EFF

Thermodynamic formalism:M. Johnson and R. H. Silsbee, Phys. Rev. 35 4959 (1987) Trans.Spins-38

Onsager formalism for spin dependent transconductance

S

C

BM

q

GGGGGGGG

ejj

GG

jj

21

00

GGGGGG

jje

j

jjj

C

C

BM

q

21

charge current

magnetization current

charge chemical potential

“spin accumulation potential”

charge conductance

“spin mixing conductance”

Ferromagnet Normal metal

GG

ejj B

e

M

Spin injection efficiency

Trans.Spins-39

Spins decay in the normal metal

Spin Polarized matter

Normal Metal

nMnnn

BnM ,

x

Spin diffusion length L

)/exp()( Lxnxn 0

FE

x

L

FE

SDL

Electron diffusion constant

spin lifetime

Trans.Spins-40

Inverse injectionSpin Polarized

matterNormal Metal with spin-polarized electrons

If a normal metal in which there is an imbalance between spin‐up and spin‐down electron  is put in contact with a metal in which there is a difference between the spin‐up and spin‐down DOS, apply the reverse argument for G separately.

There is a current across the interface proportional to the non‐equilibrium polarized electron population in the normal metal.

The difference in number of non‐equilibrium spins                                   drives an electron current.   Trans.Spins-41

Voltage bias due to inverse injectionSpin Polarized

matterNormal Metal with spin-polarized electrons

Unbalence in electrons:

Solve for VD:

)(

)()()(/

FPAULI

PAULI

Bd

eVE

EB

E

eMV

dEEfEEMn

B

DF

F

D

DD

2

2

Trans.Spins-42

Electrical spin pumping: ExperimentM. Johnson and R. H. Silsbee, Phys. Rev. 37 5326 (1988)

PermalloyPermalloy Aluminum

Trans.Spins-43

Silas Homan, Koji Sato, and Yaroslav Tserkovnyak, Landau-Lifshitz theory of the spin Seebeck effect, arXiv:1304.7295 (2013)

Transfer of spin flux across the YIG/normal metal interface

Spin transfer across Pt/YIG interface through the electron‐magnon exchange interaction at the interface. 

Loosely speaking an "s‐d“ interaction with "s" referring to electrons in Pt and "d" to local Fe moments in YIG

Use inverse spin Hall in Pt for detectionSpin “sink”

js1 = 0 js2 = js, FERROMAGNET

(Pt)YIG

Trans.Spins-44

Spin‐mixing conductance formalism applies to LSSE

YIG/Pt

M. Weiler, …, S. Goennenwein, arXiv:1306.5012v1 (2013)

“Our experimental results support present, exclusively spin current based, theoretical models using a single set of plausible parameters for spin mixing conductance, spin Hall angle and spin diffusion length

Note: thermal excitation gives highest flux

Trans.Spins-45

Thermal and electrical pumping

TTLLL

LLLLLLLLLL

qj

jJ S

C

TTSTET

TS

TE

S

q

21

Generalize:

• Spin is not conserved, but neither is heat

• Spin Seebeck coefficient is function of LTS / (L+L),…• Spin transport is dissipative, because  FJQ

.

TTLLL

LLLL

qjj

TTETET

TE

TE

00

• Spin‐Dependent Thermoelectric coefficients: LTE …• Bart van Wees, Ron Janssens

Or generalize differently:

Trans.Spins-46

K.Uchida & al. Appl. Phys. Lett. 97, 172505 (2010)

Longitudinal Spin‐Seebeck Effect YIG/Pt

Inverse spin‐Hall effect in the Pt

SSISHEISHE DE σj

Trans.Spins-47

x

z

y-x

K.Uchida & al. Appl. Phys. Lett. 97, 172505 (2010)

Longitudinal Spin‐Seebeck Effect YIG/Pt

Trans.Spins-48

Uchida, et al., JAP 111, 103903 (2012)

H. Jin, et al., to be pblished

0

40

80

120

0 100 200 300Spin Seebe

ckCo

efficient (n

V/K)

T (K)

Bulk YIG (1 mm YIG  + 15nm Pt)• Peak in SSE at 50K • Does not match with phonon peak

GGG|YIG|Pt (0.5mm GGG + 4μm YIG + 10nm Pt)• No low temperature enhancement• More similar to polycrystalline YIG

Normalized results from our LSSE thin film measurements

LSSE YIG/Pt Film versus single crystal

Trans.Spins-49

0.1

1

10

1

10

100

1000

1 10 100 1000

SSE ratio

 in YIG (from Uchida, et a

l.)

Spin Seebe

ck coe

fficient (n

V/K)

Temperature (K)

Thermal con

ductivity

 (W/m

‐K)

0.1

1

10

1

10

100

1000

1 10 100 1000

SSE ratio

 in YIG (from Uchida, et a

l.)

Spin Seebe

ck coe

fficient (n

V/K)

Temperature (K)

0.1

1

10

1

10

100

1000

1 10 100 1000

SSE ratio

 in YIG (from Uchida, et a

l.)

Spin Seebe

ck coe

fficient (n

V/K)

Temperature (K)

Thermal conductivity in monocrystalline

YIG slab

SSE(T)/SSE(290K) for monocrystalline YIG slab(Diffusive + phonon drag)

(Mostly phonons)SSE in 4μm YIG film

(Diffusive only)

LSSE YIG/Pt Relation to thermal conductivity?

Trans.Spins-50

Slide from Gerrit Bauer Trans.Spins-51

Caution 3: What can go wrong experimentally?Thermomagnetic & Galvanomagnetic Effects 

Longitudinal Spin‐Seebeck Effect ONLY on YIG/Pt

The planar Nernst effect has exactly the same symmetry as the longitudinal spin‐Seebeck effect

LSSE measurements impossible on electrically conducting ferromagnets

Trans.Spins-52

5. Transverse Spin Seebeck Effect

• Local versus non‐local spin injection• LSSE = local• TSSE = non‐local

• GaMnAs• Phonon Drag (phonon‐magnon, phonon‐

electron)

Trans.Spins-53

Local vs non‐local spin injection

Non‐local electrical spin injection:• spin‐polarized charge current is driven by 

an applied electric field.• spin current parallel to a charge current • => spin current diffuses from the 

ferromagnet into the normal metal. 

jC, jS, jQ

j C, j

S, j Q

Equivalent for electrical spin injection:

F. J. Jedema, A. T. Filip & B. J. van Wees, Nature 410 345 (2001)

Trans.Spins-54

CASE 1: In‐plane or cubicMn content 7-18%

[-110]

[110]

[100] [010]

-75 -50 -25 0 25 50 75

-40

-20

0

20

40

50KM (e

mu/

cm3 )

B (Oe)

[100]

[-110]

[110]16% Mn

[-1,1,0] & [100] are easy axes

Two possible experiments:Case 1a: B//T//easy axesCase 1b: B//T at 45o from easy axes

Trans.Spins-55

CASE 1a: B // T // easy axes

Trans.Spins-56

Dependences on temperature gradient

1. Dependence on temperature gradient is linear

=> can assign a "Seebeck coefficient" to the slope

2. Dependence on strip position is totally unusual for transport coefficient

Contrast with charge‐Seebeck between strips X

X

X

XXX

X

Y

X

YXY

TV

TE

wL

TV

TES

2

Trans.Spins-57

Position dependence of Spin‐Seebeck Sxy

A skewed and off-center sinh(x)function, with a characteristic length scale of 4 -6 mm

)]2

(sinh[)( 0xLxxS XY

Remember D. J. Sanders and D. Walton, Phys. Rev. B 15 1489 (1977) ? Trans.Spins-58

Temperature dependence and position dependence

T and x dependence normalize

Trans.Spins-59

Scratch 2

Scratch 1

Scratch the sample => spin current is vertical!=> What causes the long range of the effect?

x

Pt1Pt2

Pt3Pt4

Scratch 1Scratch 2

z

y

• If spin current were horizontal scratching the sample in half would result in 2 independent samples, 

• There would be a negative signal above the scratch and positive signal below the scratch.

0.3 mm wide scratches

Trans.Spins-60

• No change in signal

• Spin-Seebeck does not result from a macroscopic spin-current.

• The substrate, not the film, carries the mm-range information

• Substrate has ONLY PHONONS

Spin Seebeck is NOT due to spin current along

2L

2L

0

Scratch #1Scratch #2

Vy

Hotend

Coldend

Crack

40 60 80 100 120 140Tavg (K)

-1.2

-0.8

-0.4

0

Sxy

V y/

T x (V

/K)

Intact

B // [110]

40 60 80 100 120 140Tavg (K)

-1.2

-0.8

-0.4

0

Sxy

V y/

T x (V

/K)

Intact1 Scratch

B // [110]

40 60 80 100 120 140Tavg (K)

-1.2

-0.8

-0.4

0

Sxy

V y/

T x (V

/K)

Intact1 Scratch

Both Scratches

B // [110]

Scratch me twice!

Trans.Spins-61

Electronswith or without

spin

Phonons Magnons

Trans.Spins-62

6. Phonon Drag

Charge

Heat Magn. Moment

L g

Magnon Drag

Spin Caloritronics

g

Extended T‐dependence in GaMnAs

0

0.3

0.6

0.9

|Sxy

(V

K-1

)|

0

0.5

1

1.5

(G

aAs)

(W

cm

-1K-

1 )

0

25

50

75

M (e

mu

cm-3

)

0 40 80 120 160T (K)

0

10

20

xx

(V

K-1

)

1 10 100T (K)

0.01

1

100

Cp

(J k

g-1 K

-1)

a+bT-1

a+bT1.5

bT-1

a+bT3

(a)

(b)

(c)

b(Tc-T)-

b(Tc-T)-

0

2

4

6

| Sxy

(V

K-1

) |

5

10

15

(G

aAs)

(W

cm

-1 K

-1)

10 100T (K)

0

0.25

0.5

0.75

xx

(mV

K-1

)

0

25

50

M (e

mu

cm-3)

(a)

(b)

Thermal conductivity of substrate

High Low

SpinSeebeck

Phonon- Drag

Thermo-power

Big Small

Big Small

Jaworski et al., Phys. Rev. Lett. 106186601 (2011)

63

Understanding so far 

C o ldH o tT P

T (K

) T M

TM (K

)

x

Mx Mx Mx

x

M

x

Vy

Hx

Vy Vy

Hx Hx

(a)

(b)

(c)

(d)

GaMnAs

GaAs

ESHE

ESHE

Magnetization

+

_

xy

2L

2L

+

_

0x z

Vy

Two mechanisms can push magnon fluxes:1. Magnon thermal conductivity2. Phonon-magnon drag

Hot end: Tmagnon < Tphonon => TM>0Drag heats magnonsDrag decreases average Mx=> Mx<0

Cold end: inverse, TM<0, Drag cools magnonsDrag increases average Mx=> Mx>0

CHANGE in Mx => CHANGE in spin-polarization of whatever carries the spin

Inverse spin-Hall =>

Sxy Vy Mx TM

Trans.Spins-64

Adachi et al. Applied Physics Letters 97 252506 (2010)

Trans.Spins-65

Phonon Drag

0

2

4

6

| Sxy

(V

K-1

) |

5

10

15

(G

aAs)

(W

cm

-1 K

-1)

10 100T (K)

0

0.25

0.5

0.75

xx

(mV

K-1

)

0

25

50

M (e

mu

cm-3)

(a)

(b)

A = oil dropletsB = air molecules

A = phononsB = electrons

A = phonons,B = magnons

When: 1. A‐B collisions dominate 

both A‐scattering and B‐scattering

2. A‐particles have drift velocity

Then:1. A‐particles impel B‐

particles with momentum IN ONE DIRECTION

2. Out‐of‐thermal equilibrium3. Very intense

A – wall collisions dominate

A – B collisions dominate

How do “phonon‐drag” curves get to have a maximum in temperature?

?

Trans.Spins-66

The MacDonald Formalism, low temperaturePhonons exert pressure on electrons feel a pressure because of electron‐phonon collisions.

)(TUp 31

U(T) = phonon internal energy density 

Phonon Pressure is then given by 

TApply T‐gradient to a sample:More phonons on hot side than on cold side=> pressure gradient=> force per unit volume

dxdTC

dxdT

dTTdU

dxTdU

dxdpF Vx 3

1)(31)(

31

neC

dxdTE

dxdT

neC

neFE

FneE

VxPED

Vxx

xx

3

3

0

• Assume that phonons interact ONLY with electrons

• Fx pushes electrons toward cold side of sample.

• Electrostatic force neEx balances:

• Phonon‐electron drag thermopower

Trans.Spins-67

Electronswith or without

spin

Phonons

Trans.Spins-68

Charge

Heat Magn. Moment

L

Spin Caloritronics

g

7. InSb• No exchange coupling: spin 

polarization from Landau levels

• No magnon conductivity: phonon drag

• Giant spin‐Seebeck‐like effect

InSb and its Landau levels

PauliLandau 31

R. Peierls, “Quantum Theory of Solids”, pp 144-149 (Oxford 1955)

Ferromagnetism not necessary

Spin‐Polarization necessary

InSb is a very narrow‐gap semiconductor Eg 0.2 eV

Very strong spin/orbit interactions, effective Landé factor g*  ‐50

Separate energy levels into Landau levels

Landau diamagnetism and Pauli paramagnetism for free electrons

Trans.Spins-69

InSb and its Landau levelsLandau level Orbital and Zeeman splitting

**

**

22

221

2)(

mHe

mHe

Hsgnmk

EE

x

c

xc

xBCc

x

0 1 2 3 4 5 6 7H (T)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

E (e

V)

n=2.82x1015cm-3

EF

(0,)

(0,)

(1,)

(1,)

(2,)(2,)

(3,)(4,)

From this field on up, most electrons are on the last Landau level(ultra‐quantum limit), spin‐polarized by Zeeman splitting

- 2 - 1 1 2

- 100

- 50

50

100Polarization (%)

B (T)5K

Trans.Spins-70

-8 -4 0 4 8Bx (T)

Sxy

(V

K-1)

4.3K2000V K-1

InSb Spin‐Seebeck data

xHx // xT

Hx(T)

1. Signal is very large, 8 mV/K

2. Even‐symmetric and small odd‐symmetric portions as function of magnetic field

3. Even‐in‐field part: 1. large2. ultra‐quantum‐field region

Jaworski et al., Nature 487 213 (2012) Trans.Spins-71

Sxy

(V

K-1)

6.3K

-8 -4 0 4 8Bx (T)

Sxy

(V

K-1)

10.4K

2000V K-1

1000V K-1

Sxy

(V

K-1)

2.75K

-8 -4 0 4 8Bx (T)

Sxy

(V

K-1)

4.3K

2500V K-1

2000V K-1

0 10 20 30 40T (K)

10

100

1000

10000

Sxy

,max

(|V

K-1|)

-8 -4 0 4 8Bx (T)

Sxy

(V

K-1)

25.1K

150V K-1

Sxy~e-b*T+A

T‐dependent Spin‐Seebeck Data

Blue = hotter end; red = colder end (experimentally some variation)Signal many mV/K below 10 K, much larger than any parasitic Trans.Spins-72

Temperature‐dependence of amplitudesignature of Zeeman splitting

0 10 20 30 40T (K)

10

100

1000

10000

|Sxy

|max

(V

K-1) RT )sinh(

BgTk

BgTk

R

B

B

B

B

T

2

2

2

2

Ratio between thermal energy (kBT) and Zeeman energy (gBB) for electrons on helical orbitsOnly adjustable parameter = amplitude

Shoenberg D. Magnetic Oscillations in Metals, Cambridge 1984

• RT decays slower than SdH oscillations in resistivity 

0 5 10T (K)

0.1

1

10

Am

plitu

de (A

rb. U

nits

)

• Spin‐Seebeck effect exists even when orbital quantization is no longer resolved

Trans.Spins-73

The physics:

1. Temperature gradient creates phonon fluxChange in phonon momenta:

2. Strong phonon-drag impels additional momentum k to electrons:  

3. Strong spin-orbit interactions transform k into a change in Zeeman splitting energy:

We actually can estimate  from published electron‐concentration‐dependence of g‐factor 

=> no adjustable parameters, for T=5K, T=40 mK:

cTkq B

qkx

xk k

TkeV B of 25120 %k Trans.Spins-74

kx+qx

xT

kx-qx xHx // xT

Explanation based on the two-momentum model (electrons versus phonons)

- 2 - 1 1 2

- 100

- 50

50

100

Polarization is odd in field

H(T)

5KPhonon‐drag DIFFERENCE 

vis‐a‐visMiddle plane

Phonons are warmer on hot side => accelerate electrons more

Phonons are colder on cold side => slow down electrons more

Trans.Spins-75

+qx-qx Hx // xT

Phonon-drag driven, spin-orbit induced spin splitting

E

x

gBH

0

E =

k =

gBH‐qx gBH+qx

S+x <0 =0 >0

Spin‐polarized electron population is not at equilibrium  spin‐pumping into Pt Non‐uniformly across sample (spatial dependence) Trans.Spins-76

+qx-qx

Phonon-drag driven, spin-orbit induced spin splitting

E

x

gBH

0

E =

k =

gBH‐qx gBH+qx

S+x <0 =0 >0-Hx // xT

S+x <0 =0 >0Therefore, S+x is even symmetric with magnetic field.

In both field directions,

Trans.Spins-77

Phonons

Trans.Spins-78

8. Phonon Diamagnetism

Heat Magn. MomentL

Spin Caloritronics

new effect

Anharmonicity & Grüneisen

xU

Anharmonic Potential

)(2

2

xkdx

Ud

kBT

x0( kBT)

Apply to a solid

The phonon frequencies

with anharmonic bonds

Grüneisen parameterAnharmonicity is characterized by)ln(

)ln(),(

),,(

0

0

Vdd

xxkkmkx atoms

Cstdx

UddxdFk

xkFdxU

xxkF

2

2

20

2

)(

Harmonic Potential

Anharmonicity governs the phonon‐phonon interaction Hamiltonian

Trans.Spins-79

Anharmonicity and lattice thermal conductivity

0.1

1

10

100

1 10 100 1000

Ther

mal

Con

duct

ivity

(W c

m-1

K-1

)

Temperature (K)

model

data

Phonons scattered by crystal boundaries

Phonons scattered by defects (isotopes, …)

Morelli, Heremans &

Slack Physical Review B 66, 195304 (2002)

Tn

VMA atomL

322

3/13

Average Mass of Atoms

Debye Temp Volume per atom

# atoms in cell

Grüneisen Parameter

Smattering of 

Constants

Phonons scattered by other phonons

Silicon

Trans.Spins-80

Size effect on boundary scattering phonons (Ballistic phonons in small arm) Difference in thermal conductivity Small arm serves as reference for phonon 

scattering in large arm

Q

H

Experimental setup: “tuning fork” geometry

th

wL wS

Cernox

Tdiff

QL QS

LTS

H

TL

1.4x1015 cm‐3 dopedn‐type InSb single crystal

Q // H // [100]

wL (3mm) ~ 3wS (1mm)  AL ~ 3AS

Geometry from T. H. Geballe and G. W. Hull, “La physique des basses temperatures”, p. 460 (1955)

30 mm

Trans.Spins-81

Principle of measurement: thermal potentiometer

0 1000 2000 3000Time (s)

-40

-20

0

20

40

Tdi

ff (m

K)

no heat heater on heater off

T = 30KH = 0T

Constant QLStep QS

4 12 20QS (mW)

-40

-20

0

20

40

T d

iff (m

K)

T = 30KH = 0T

QL = 44.5mW

Typical random error in ∆Tdiff ~ 10µK

When Tdiff= 0 (TS = TL ):

L S L

S L S

A Q

A Q

Tdiff

QL QS

TSTL

Advantages:1. Tdiff = 0 , heat flux only measurement2. Eliminates calibration errors on thermometers3. Eliminates magnetic field sensitivity of 

thermometers4. Minimizes heat losses between arms5. Enables accuracy of 1:104 or even 105

L S L

S L S

A Q

A Q

Trans.Spins-82

Temperature & Magnetic field dependence

Magnetic field dependent lattice thermal conductivity• Electronic < 10‐5 times smaller than lattice 

conductivity• No d or f‐electrons in system• Effect is even in field

-8 -4 0 4 8H (T)

1.44

1.48

1.52

1.56

1.6

L / S

T = 3K

T = 4.4K

Trans.Spins-83

Physical meaning of L/ S1. Effect occurs where the transport is still ballistic, but  

starts picking up a phonon scattering component 

11

11

111231

111231

111

231

31

BL

BS

BSV

BLV

S

L

B

VV

vC

vC

vCvC

2. Thermal potentiometer eliminates specific heat and sound velocities from the physics of the problem.

3. If we consider the limiting case where

4. For long‐wavelength phonons (T<<D)

111 BLBS 1

1

11

11

BS

BL

BS

S

L

Klemens’ model

aTA 21

Proportionality constant

Grüneisen a=3 for cubic crystals (1)a=2 for trigonal crystals (2)

21

1 1

BS

S

L

1 10T (K)

100

1000

S (W

/ m K

)

TS

Trans.Spins-84

What is “magnetic” in here?

32

11TBSS

L

What is most likely to depend on magnetic field?1. Electronic thermal conductivity?  No: L 103 W m‐1K‐1;E 10‐2 W m‐1K‐1  10‐5 L

2. Electron‐phonon scattering?  No: would go the other way.  Electrons freeze out at low T and high H

3. Specific heat?  No: we checked experimentally

4. Phonon‐phonon scattering?  Yes: T-3 => phonon‐phonon interactions.

Trans.Spins-85

Theory of phonon diamagnetismConcept: frozen phonon

In

Sb

[010]

[101][101]

Frozen phonon

Valence band structure frozen phonon

In

Sb

M (

B/Å3)

H=7 T // [010]

Sb [010]

[101]

‐5x10‐6

Magnetization around frozen phonon

)()()( 2 rHHrMrFM

• Local moments weak• Gradients very sharp• Magnetic force on atoms:

• Magnetic force is anharmonic alters thermal conductivity

Trans.Spins-86

Origin of the diamagnetic moment-0.006 B/Å3

In

Sb

“Diamagnetic susceptibility of the 

phonon”

A

Orbital magnetism in valence band

-0.03 B/Å3

Logarithmic mesh,  0.18 Å In displacement

Of course, net magnetic moment integrated over (a) the solid (b) time, is zeroTrans.Spins-87

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0.1 0.2 0.3

Sus

cept

ibilit

y (m

B/T

)

Displacement (Å)

Orbital diamagnetism(semiconductor)

Diamagnetic Moment vs. DisplacementMaterial has bandgap > 0:

What type of diamagnetism?

Landau diamagnetism(metal)

Diamagnetic χ function of displacement => Induced χ affects atom displacementTrans.Spins-88

Orbital phonon diamagnetism (insulators):  Localized electrons in valence band

Magnetic field (HAPPL) induces electron precession generating magnetic moments

General expression for magnetic moment:

22

4r

mBZeme

2r = mean distance from all electrons from atom

Phonon‐induced Larmor‐like behavior of the valence electrons

Langevin diamagnetsm

Trans.Spins-89

Field‐induced anharmonicity: how it works

)( 0xxkF

Phonon “Magnetic force”

CstHkFk

HxxkF

APPL

APPL

2

1

201 ...)(

HAPPL MLOCAL

xLocal

displacement coordinate

0)(

)()(

2

APPLMAGN

APPLLOCAL

MAGN

HxF

HxMF HM

Interatomic harmonic force

Total:

)()(

)(11

APPLLL

APPL

APPL

HH

H

)( APPLHV

V

m

Hkmk APPL

21

Diamagnetic anharmonicity causes

Phonon frequency:

Grüneisen parameter

Need to make a mode and frequency average Trans.Spins-90

Comparison theory‐experiment (no adjustable parameter)

0 4 8 12 16T (K)

-5

0

5

10

15

20

-2

/ -2

(%)

-5

0

5

10

15

20

-(

L/

S) /

(L/

S) (

%) Theory

Experiment

Jin, Restrepo, Antonin, Boona, Windl, Myers, Heremans, under review

21

1 1

BS

S

L =>

20

20

27

0

07

TH

THTH

THS

L

THS

L

THS

L

APPL

APPLAPPL

APPL

APPLAPPL

No adjustable parameters

Trans.Spins-91

9. Applications

Heat dissipation by spin fluxThermal spin pumping efficiencySolid‐state heat enginesKovalev / Tserkovnyak designKirihara / LSSE design

Trans.Spins-92

Dissipation from spin currents?

Theory and assorted statements in literature:“pure spin currents allow for dissipationless information 

transfer”.  If Jc = 0, then Joule Heat = 0 

- p p p p

Power dissipated as heat (phonons) T increases

Jc > 0

Jc = 0

Joule heating

Pure spin current

- -

Phonons are still producedPhonon‐spin interactions important in spin‐Seebeck

Trans.Spins-93

Spin‐Caloritronic engines based on domain wall motionAlexey A. Kovalev and Yaroslav Tserkovnyak

Solid State Communications 150 500-504 (2010)

Mechanisation: heat pushes domain wall

Heat pump/cooler

Power generator

Efficiency equations similar to thermoelectrics

Connect two of those with different pinning energy

T. Spin-94

Akihiro Kirihara & al., Nat. Mater. 11 686-689 (2012)

E‐based spin caloritronic energy‐recovering cloth, NEC corp.

Trans.Spins-95

ZT of LSSE process

Efficiency

hZ

ZhS

hS

Z

Z

TT

LlTz

Tz

Ll

2

2

CARNOT

11121

Ferromagnet

TSTz XYS

YIG

Pt2

Involves two materials• Ferromagnet• Inverse spin Hall

Involves two materials• Ferromagnet• Inverse spin Hall

7

86

322

32

Pt2

1010010

1010

mnm

LlS

S

Z

Z

TeBiTeBi

InSb

...

H. Adachi, Spin Caloritronic V, Ohio State, 2013 Trans.Spins-96

Spin

ChargeHeat

Spintronics

Thermoelectrics

SpinCaloritronics

Conclusions: spin caloritronics• Physics in its infancy

• Spin‐Seebeck effect is getting 

fairly well understood

• Spin‐mixing conductance good concept for spin fluxes in the linear transport regime

• Phonons induce diamagnetic moments

Trans.Spins-97

Electrons Magnons PhononsHeat kT kT kTMagnetism Spin, Orbit B 2nd order 

Landau/OrbitalCharge e ‐ ‐


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