Spin Accumulation in Ferromagnetic/Normal and Ferromagnetic/Superconducting Systems Zaffalon, Michele

Transcriptie

1 University of Groningen Spin Accumulation in Ferromagnetic/Normal and Ferromagnetic/Superconducting Systems Zaffalon, Michele IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2006 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Zaffalon, M. (2006). Spin Accumulation in Ferromagnetic/Normal and Ferromagnetic/Superconducting Systems s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting In tegenstelling tot elektronica, waar componenten gebaseerd zijn op het manipuleren van elektronlading wordt in spintronica naast lading de spin van het elektron, zijn enige interne vrijheidsgraad, gebruikt. Het idee waar deze thesis op gebaseerd is, is het via elektrische weg in onbalans brengen van de twee spin populaties en vervolgens, tevens elektrisch, de tijd te meten tot evenwicht tussen de populaties ontstaat, de zogenoemde spin relaxatie tijd τ sf. Hoewel deze tijd van zeer korte duur is, in de orde van 100 ps in Aluminium, diffunderen elektronen typisch gezien 1 µm, een laterale dimensie die binnen de mogelijkheden valt van lithografische (optische en electron beam lithografie) technieken. Om een accumulatie van spin te creëren wordt een netto spin stroom vanuit een ferromagnetisch materiaal in een niet-magnetisch materiaal geïnjecteerd, bijvoorbeeld van kobalt in aluminium. De oorsprong van de spinstroom komt vanuit het verschil in geleiding van de beide spin populaties in kobalt en/of het kobalt aluminium interface welke verschillende transparantie bezit voor de twee spin soorten. De opeenhoping van spin in het Aluminium kan worden gedetecteerd door middel van een tweede ferromagnetisch contact waarvan de chemische potentiaal verhoogd wordt evenredig met de hoeveelheid spinaccumulatie vermenigvuldigd met de cosinus van de hoek tussen de magnetisatie in het niet magnetische metaal en de ferromagneet. Helaas is het niet voldoende om simpelweg een stroom tussen injector en niet magnetisch metaal tot stand te brengen indien men een hoog gepolariseerde spin stroom wil realiseren. In metalen blijkt het verschil in τ sf van het metaal en de ferromagneet de limiterende factor te zijn. Dit in tegenstelling tot halfgeleiders waar het verschil in geleiding de limiterende factor is en voor grotere problemen zorgt waardoor dit probleem doorgaans als geleiding mismatch aangeduid wordt. De oplossing hiervoor is in theorie simpel: de tussenkomst van een interface met spin afhankelijke transmissie en met een hogere weerstand als de metalen in de junctie. Experimenteel kan dit gerealiseerd worden door een dunne isolerende laag tussen de twee metalen aan te brengen, dun genoeg om een omvangrijke (spin en lading) stroom mogelijk te kunnen maken. Aluminium is de logische keuze als niet magnetisch materiaal voor twee redenen: ten eerste is aluminium een licht materiaal (laag Z nummer) waarvan wordt aangenomen dat het spin-baan mechanisme van spin relaxatie zwak is. De eerste experimenten met betrekking tot spin accumulatie door Johnson en Silsbee in 1985 maakten gebruik van Aluminium. De tweede reden puur technisch namelijk dat Aluminium een tunnel barrière vormt na blootstelling aan zuurstof. Verder vormt het een zichzelf beschermende laag en is het gemakkelijk aan te brengen door middel van elektronen bundel depositie. Voor de detectie van de spinaccumulatie wordt een spin afhankelijke junctie 111

3 112 SAMENVATTING gebruikt, in dit geval een kobalt contact gescheiden van het aluminium via een laag aluminium oxide. De ferromagnetische detector en injector (met tunnel barri`res) zijn de basis eenheden van het experiment. In het eerste deel van de thesis wordt het werk van Friso Jedema et al., het injecteren en detecteren van spins in een volledig metaal vier terminal geometrie, voortgezet. Door de laterale dimensies te verkleinen komen we in een situatie waarin de gecreëerde spin accumulatie uniform is en we over een nul dimensionaal systeem met respect tot spin kunnen spreken. In principe kunnen alle elektron spins worden opgevat als één grote spin welke een precessie beweging om een extern magnetisch veld beschrijft. In het gefabriceerde aluminium eiland, elektronen bevattend, is het gelukt een onbalans in spins van 1000 elektronen te veroorzaken. De injectoren en detectoren bestaan uit vier kobalt elektrodes van verschillende breedte die contact maken met het aluminium eiland door middel van tunnelbarrières. Dit is noodzakelijk aangezien bij een geometrie met twee contacten de spin accumulatie meting zou worden gedomineerd door de weerstand van het kobalt/aluminium interface. Door het aanbrengen van een magnetisch veld in het vlak van de kobalt contacten kan de richting van magnetisatie van de vier contacten bijna individueel geregeld worden. Metingen van de spin accumulatie als functie van het externe magnetische veld, ook wel spin-klep metingen genaamd, laten een vier terminal weerstand van 60 mω zien, ongeveer een orde van grootte meer dan eerdere metingen aan volledig metaal systemen. Dit is het resultaat van de verkleining van het gebied waarin spin accumulatie plaatsvindt. De meest betrouwbare manier om de aanwezigheid van spin accumulatie aan te tonen is door hun precessie onder invloed van een magnetisch veld te meten. De precessie van spins onder invloed van een magnetisch veld is gelijk aan een constante ω L die proportioneel is aan het magnetische veld. Na een gemiddelde tijd τ sf relaxeren ze zodat de oriëntatie roteert met een gemiddelde ω L τ sf. Door deze hoek te meten werd een τ sf 60 ps gevonden op kamertemperatuur en werd een injectie-efficiëntie, gedefinieerd als de ratio van spinstroom tegen ladingsstroom, van P = 11% gemeten. In dit nul dimensionale geval is deze analyse mogelijk aangezien de spin accumulatie uniform is. Verder is door inspectie van de mogelijke oriëntaties van de magnetisatie van de kobalt elektrodes de relatieve hoek tussen de kobalt elektrodes bepaald. De analyse van de spin injectie en detectie is op een klassiek niveau gedaan die, voor laag transparante interfaces, equivalent is aan de finite element theory ontwikkeld door Brataas et al. (2000). Hierin worden de relevante parameters voor het transport door de interfaces als functie van de waarschijnlijkheden van reflectie aan de interfaces, rmn, bepaald. Het blijkt dat indien men spin transport volledig wil beschrijven men niet alleen de spin omhoog en spin omlaag geleidingen G, G nodig heeft maar tevens de mixing conductance G en G welke de transmissie van elektronen met spin loodrecht op het ferromagneet/metaal grensvlak beschrijft. Wat hier van belang is, is dat de omhoog en omlaag component van de golfvergelijking die de elektron spin beschrijft, de spinor, vermenigvuldigd worden met verschillende amplitudes van waarschijnlijkheid bij reflectie; dit houdt in dat de spin een precessie beweging beschrijft tijdens het verstrooien aan het ferromagneet/metaal interface. Hoewel het meten van G, G relatief eenvoudig is mislukte het meten van G door de lage transparantie van de interfaces. Het is noodzakelijk dat de tijd die het elektron nodig heeft om het eiland te verlaten kleiner of vergelijkbaar

4 113 is aan τ sf, oftewel dat de spins niet volledig willekeurig zijn als ze het eiland verlaten. In ons geval bleek τ esc 2000 τ sf te zijn. Aan de andere kant konden we door de eindig element theorie op het nul dimensionale eiland toe te passen laten zien dat de spinaccumulatie een eenvoudige functie van τ sf is. De ontsnappingstijd τ esc is een grootheid die natuurlijkerwijs geïntroduceerd wordt door de eindig element theorie welke vanuit een gelijke basis zowel injector en detector behandeld. De rol van τ esc is gelijk aan dat van τ sf aangezien een spin die via een contact verdwijnt willekeurig wordt. Wat dat betreft is het voordeel van het gebruik van tunnel barrières het feit dat de spinaccumulatie zwak door de contacten verstoord wordt. Het tweede deel van deze thesis behandelt het meten van de levensduur van spin gepolariseerde quasideeltjes in een supergeleider. De correlatie tussen elektronen die zich in een supergeleidende toestand bevinden induceert een substantiële verandering in de eigenschappen van de quasiedeeltjes zoals de dispersierelatie en lading. Aan de andere kant voldoen de aangeslagen toestanden nog aan de Fermi statistiek en bezitten ze spin 1 2. Interessante resultaten zijn voorspeld zoals de onderdrukking van supergeleiding door spin accumulatie doordat de verschuiving in chemisch potentiaal volgens de BCS vergelijking de kloof beïnvloed. De supergeleiding correlatie beinvloedt tevens de verstrooiings waarschijnlijkheden. Het is voorspeld dat de door spinbaan gedreven spin relaxatie τ sf niet beïnvloed wanneer deze in supergeleidende toestand geraakt terwijl voor verstrooiing aan magnetische onzuiverheden τ (SC) sf = τ (N) sf (E 2 2 )/(E ) geldt. Hierdoor is de spinrelaxatie snel voor quasiedeeltjes die geïnjecteerd worden met een energie vergelijkbaar met. Wederom is aluminium de logische keuze als materiaal voor het eiland aangezien het supergeleidend wordt beneden 1.2 K. Bij deze experimenten wordt gebruik gemaakt van een geometrie van vier kobalt elektroden die over het aluminium eiland heen liggen en contact maken met het eiland via laag transparante interfaces. De reden om de elektroden over het eiland te plaatsen is om randeffecten te vermijden. Het aluminium eiland heeft hierdoor een lengte van µm. Tijdens het karakteriseren van de interfaces bleek dat er gebieden aanwezig zijn in de oxidelaag met direct contact tussen aluminium en kobalt. In het normale geval verhindert dit de observatie van een eindige polarisatie in het aluminium eiland niet, echter in de supergeleidende toestand ondergaat een deel van de stroom Andreev reflectie en ontstaat er geen spinpolarisatie. Verder blijkt de geleiding van het interface niet gefit te kunnen worden volgens de standaard BTK theorie, waarschijnlijk doordat aan het interface geen enkelvoudige waarde van transparantie Z kan worden toegekend. De supergeleidende kloof is gekarakteriseerd als functie van het aangelegde magnetisch veld H ext en zowel de aanwezigheid van ferromagnetische contacten als een extern aangelegd magnetisch veld onderdrukt de kloof. Door spin-klep metingen uit te voeren in een cryostaat met een basis temperatuur van 100 mk kan de evolutie van spin accumulatie tijdens het verlagen van de gemiddelde energie van de geïnjecteerde quasideeltjes kwalitatief gemeten worden. Het vier terminal spin afhankelijke signaal vergroot van 100 mω voor aluminium in normale staat tot Ω in supergeleidende toestand. De amplitude van het spin signaal tijdens de anti parallelle configuratie van de mag-

5 114 SAMENVATTING netische contacten blijkt echter verschillend te zijn voor een positief en negatief magnetisch veld. De analyse van de vier terminal differentiële weerstand voor een eindige aangelegde (DC) spanning laat zien dat, voor ev bias k B T, de differentiële weerstand lineair afhankelijk is van de stroom terwijl men hier een lineair gedrag en dus constante differentiële weerstand zou verwachten. De oneven component in stroom blijkt hierbij een orde van grootte meer te zijn als de even component. De oorzaak van dit effect is tot op het moment van schrijven onbekend.