e Vidro / Co (34 nm). Na amostra de Co, ocorre um decaimento aproximadamente linear da coercividade com o aumento de ∆T .
Figura 6.3: Relação entre o campo coercitivo HC e a diferença de temperatura para as amostras de Si (100) / Py (35 nm) e Vidro / Co (34 nm). As linhas sólidas representam HC obtido através da medida de magnetização.
Na próxima seção, analisaremos o LSSE em bicamadas de YIG/Pt por meio do ISHE.
6.2
Efeito Hall de spin inverso (ISHE)
Nesta seção, mostraremos resultados referentes à conversão de corrente de spin em corrente de carga por meio do efeito hall de spin inverso (ISHE). Para medir este efeito usamos um material ferrimagnético isolante, sobre o qual há uma camada metálica não magnética responsável pela conversão. Os resultados foram obtidos em colaboração com a equipe do laboratório de física da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), que já dominam detalhes da técnica para a medida do LSSE. Nesta ocasião, foi cedida uma amostra e a montagem experimental. Também foram realizadas medidas com a montagem desenvolvida em nosso laboratório de nanoestruturas magnéticas e semicondutoras da UFRN. As medidas foram de fundamental importância para o domínio da técnica, o que permitirá explorar sistemas diferentes.
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 78
A Figura 6.4(a) mostra a tensão gerada por efeito seebeck de spin em uma bicamada Ferrimagnético(isolante)/NM sob ação de um gradiente térmico. Neste caso o material fer- rimagnético utilizado foi o YIG (Yttrium Iron Garnet ), cuja fórmula química é Y3F e5O12.
O material NM é a Pt (material com forte acoplamento spin-oórbita). A bicamada foi de- positada sobre um substrato de GGG (Gadolinium gallium garnet ), formando o sistema GGG/YIG(6 µm)/Pt(6 nm). Uma corrente de spin é gerada no YIG e então é espalhada na interface com a Pt, onde ocorre sua conversão em corrente de carga. Como esperado, a am- plitude da tensão seebeck VLSSE aumenta com o aumento do gradiente térmico, chegando a
cerca de 20 µV para um ∆T = 16 K. Como não há corrente de carga através do YIG, o efeito Nernst anômalo no YIG não possui contribuição na tensão medida. Essas medidas foram feitas com o gradiente positivo (convencionalmente, quando a temperatura na superfície do filme é maior que em sua base). Quando esse gradiente é invertido, passando a ser negativo, o sinal medido também sofre uma inversão, como pode ser observado na Figura 6.4(b).
(a) (b)
Figura 6.4: Medidas de SSE em uma bicamada GGG/YIG(6µ m). Em (a) foram aplicados os gradientes térmicos positivos 4 K, 10 K e 16 K. Em (b), são aplicados gradientes negativos e é observada a inversão do sinal. Medida realizada com a montagem construída na UFPE.
A Figura 6.5(a) mostra medidas na mesma amostra (GGG/YIG(6 µm)/Pt(6nm)). No entanto, essa foi a primeira medida realizada com montagem própria. Os ruídos que ocorrem são da ordem de 1 µV , bem menores que a amplitude do sinal. Mesmo assim, nossa montagem apresenta uma razão sinal-ruído inferior, quando comparada com a montagem da UFPE. Provavelmente a razão para um maior ruído está na instabilidade do gradiente de
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 79
temperatura. Nessa montagem que criamos, uma célula peltier de 1cm x 1cm funciona como a base dissipadora onde o filme é colocado. Sobre a superfície da amostra é usado outro módulo peltier com dimensões 4 mm×4 mm. Dessa forma, enquanto a superfície do filme é aquecida, sua base deve ser resfriada (gradiente positivo); quando a superfície é resfriada, a base é aquecida (gradiente negativo). Portanto, a possibilidade de imprecisão no estabelecimento da diferença de temperatura é maior devido ao uso de duas células peltier ’s. Outro fator que pode provocar o aumento de ruídos é a qualidade do contato elétrico feito na superfície do filme com tinta condutiva de prata. A seguir, a Figura 6.5(b) mostra os contatos realizado feitos em uma amostra similar.
(a) (b)
Figura 6.5: Em (a), medidas de VISHE para amostra de GGG / YIG (6 µm) / Pt (6 nm). Em (b), foto dos contatos elétricos feitos com tinta condutiva de prata sobre o filme.
A montagem utilizada na observação do LSSE no caso anterior (Figura 6.5(a)) foi substituída por uma outra montagem, descrita na seção 4.5, onde a base dissipadora de calor é composta de bronze. Esta montagem possibilitou maior estabilidade ao gradiente térmico, o que reduziu significativamente o ruído nas medidas. Apenas uma célula peltier com dimensões 4 mm × 4 mm foi utilizada para aquecer a superfície da amostra. Além disso, a montagem possibilitou a aplicação de grandes diferenças de temperatura (da ordem de 30 K). A Figura 6.6 mostra medidas de voltagem Seebeck utilizando a montagem em questão. Trata-se de uma bicamada GGG / YIG (10 nm) / Pt (4 nm), cuja resistência elétrica através da Pt entre os contatos é de 102 Ω. Em (a), resultados de VLSSE × HDC para gradientes
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 80
A Figura 6.7(a) revela o comportamento linear da voltagem ∆V em função da dife- rença de temperatura aplicada na amostra. Para o gradiente térmico positivo (sentido +z), a reta ∆V × ∆T possui derivada positiva. O oposto ocorre quando usados gradientes térmicos negativos (sentido −z). A corrente de spin formada na camada de YIG (100 nm) tem sua direção perpendicular ao plano da amostra e, por tanto, perpendicular à direção da detecção de VLSSE na superfície da amostra.
(a) (b)
Figura 6.6: Medidas de LSSE em uma bicamada GGG(111) / YIG(100 nm) / Pt(4 nm). Em (a), cada curva corresponde à aplicação de um gradiente térmico positivo distinto. Em (b), são aplicados gradientes negativos e é observada a inversão do sinal.
O gráfico da Figura 6.7(b) trás a variação angular de VLSSE, que apresenta o com-
portamento esperado se levarmos em conta a relação vetorial entre corrente de carga ~Jc e
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 81
(a) (b)
Figura 6.7: Em (a), medidas de VISHE para amostra de GGG (111) / YIG (100 nm) / Pt (4 nm). Em (b), a variação angular de VISHE para um ∆T fixo.
~
Jc = ΘSH( ~Js× ˆσ), (6.1)
onde ˆσ é a direção da polarização dos spins carregados por ~Js. O sinal então deve ter valor
absoluto máximo quando ~HDC⊥ ~Jc (0◦, 180◦ e 360◦), e nulo quando ~HDC|| ~Jc (90◦ e 270◦),
seguindo um ciclo senoidal. O fato das curvas com diversos campos de medidas (CM) terem formas semelhantes deve-se aos valores de CM corresponderem a campos magnéticos capazes de saturar a magnetização do YIG.
Os experimentos acima representam uma alternativa para se medir a corrente de spin através de uma medida elétrica, possibilitando descobrir a magnitude deste efeito em um filme ferrimagnético isolante. Através desse tipo de medida, é possível descobrir qual ΘSH
da Pt, ou seja, sua eficiência na conversão de corrente de spin em tensão elétrica. Quando tratamos de materiais ferromagnéticos metálicos, há uma dificuldade na medida do LSSE, uma vez que surgem outros efeitos relacionados ao gradiente térmico, como o ANE e o AHE, e à corrente de carga, como o efeito de AMR.
Atualmente, um problema importante nesta área é a determinação do coeficiente de conversão para materiais ferromagnéticos metálicos, uma vez que nesses materiais te- remos duas componentes de voltagem, uma do ANE e outra do ISHE. Para resolver este problema, substituímos a Pt por um material ferromagnético, o Co, formando a bicamada
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 82
GGG/YIG/Co. Neste caso teremos uma magnetização referente ao YIG e outra ao Co, en- tão a tensão será composta pela componente devido ao LSSE do YIG que será convertida através do ISHE na interface com o Co, e outra componente devido ao ANE presente apenas no Co. Contudo, uma maneira de identificar cada componente é a partir do fato de que a VISHE depende diretamente da magnetização do YIG, enquanto que VAN E está ligada à
magnetização do Co. Isso significa que se desacoplarmos as magnetizações dos dois materiais, teremos como distinguir as duas voltagens. Para desacoplá-las podemos usar um material com alto comprimento de difusão de spin como o Cu [18, 72, 77]. Na Figura 3.13 (capítulo 3, seção 3.5), este raciocínio é empregado usando uma tricamada GGG/YIG(120 nm)/Cu(5 nm)/Co(2 nm).
Com a finalidade de realizar a separação dos dois fenômenos, produzimos a tricamada GGG/YIG(100 nm)/Cu(5 nm)/Co(3 nm) por sputtering e realizamos medidas de magneti- zação para em um primeiro momento verificar o desacoplamento das magnetizações, como mostra a Figura 6.8(a). No entanto, como mostra a Figura 6.8(b), não conseguimos verificar a voltagem ISHE devido ao LSSE e nem mesmo a componente com origem no ANE.
(a) (b)
Figura 6.8: Em (a), a curva de magnetização da tricamada GGG/YIG(100 nm)/Cu(5 nm)/Co(3 nm) evidencia o desacoplamento das magnetizações das camadas de YIG e Co. No entanto, em (b), a amostra não exibe o sinal de SSE ou ANE. Foram aplicado os gradientes térmicos de 4 e 10K.
A curva de magnetização é uma prova contundente de que a estrutura foi depositada, pois torna claro o papel do espaçador de Cu no desacoplamento das magnetizações. Dessa forma, o motivo da não detecção do ANE e do ISHE pode estar na qualidade dos contatos
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 83
feitos na superfície da amostra ou mesmo em algum artefato da técnica. Todavia fizemos mais duas amostras com o mesmo intuito de observar a separação dos dois fenômenos. Variamos a espessura tCu do espaçador de Cu. Na Figura 6.9 temos as histereses térmicas para as
tricamadas GGG / YIG(50 nm) / Cu(1 nm) / Co(3 nm) e GGG / YIG(50 nm) / Cu(2 nm) / Co(3 nm). Dessa vez, conseguimos observar voltagem diferente de zero nas duas amostras, no entanto, não ocorreu uma explícita separação entre ANE e ISHE.
(a) (b)
Figura 6.9: Em (a), a histerese térmica da amostra GGG / YIG(50 nm) / Cu(1 nm) / Co(3 nm) para alguns valores de ∆T . Em (b), a histerese térmica da amostra GGG / YIG(50 nm) / Cu(2 nm) / Co(3 nm).
Para tCu = 1 nm, a voltagem Vth medida é superior à medida na amostra em que
tCu = 2 nm. Esse resultado é uma indicação de que o aumento da espessura na camada de Cu
interfere na amplitude do sinal. Dessa forma, é possível que para tCu = 5 nm, a voltagem seja
pequena a ponto de tornar difícil a medida do sinal. O mecanismo envolvido no decaimento da voltagem ISHE induzida pelo LSSE está ligado à alta sensibilidade à condição de interface entre os filmes de YIG e Co. Grandes valores de VISHE estão relacionados à formação de
uma interface altamente cristalina YIG/Co. Além disso, VISHE decresce exponencialmente
com o aumento da espessura da camada amorfa de Cu depositada acima do YIG [78].
O gráfico da Figura 6.10 mostra o decaimento de Vth/∆T em função da espessura
tCu do espaçador em nossa série de amostras. As amostras usadas possuem tCu = 0 nm, 1
nm e 2 nm. Os símbolos representam os resultados experimentais, enquanto a linha sólida mostra a função exponencial Aexp(tCu/L), onde A é constante e o parâmetro L foi ajustado
6.2. EFEITO HALL DE SPIN INVERSO (ISHE) 84
para ∼ 2, 3. Isso mostra o rápido decaimento (aproximadamente exponencial) da voltagem gerada em nossa série de amostras. Nesse caso, além da contribuição da voltagem VISHE
induzida pelo LSSE, há de se considerar a voltagem VAN E devido à presença do Co, ou seja,
Vth= VISHE + VAN E.
Figura 6.10: Variação de Vth/∆T em função de tCuna série GGG / YIG(50 nm) / Cu(tCunm) / Co(3 nm), onde tCu assume os valores 0 nm, 1 nm e 2 nm. Os símbolos representam os resultados experimentais. A linha sólida é referente ao ajuste por meio da função Aexp(tCu/L). L ≈ 2.3.
Embora tenhamos conseguido medir a voltagem Vth para amostras com tCu < 2
nm (Figura 6.9), não obtivemos a formação de degraus na histerese térmica, indicando o desacoplamento entre os efeitos ISHE e ANE, apesar das medidas de magnetização indicarem que as magnetização do YIG e do Co foram desacopladas (Figura 6.11). Em vermelho, as medidas realizadas imediatamente após a produção das amostras. Em azul, as medidas de magnetização após a realização das medidas com aplicação de gradiente térmico. A conclusão é que o aquecimento da amostra é responsável por reacoplar as magnetizações das camadas de YIG e Co. Por esse motivo, as histereses térmicas não mostraram a separação entre VISHE