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Jul 20, 2023

Interação entre difusão e magnon

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9280 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

São apresentados os resultados das medições da potência termoelétrica de redes de nanofios interconectados de 45 nm de diâmetro consistindo de Fe puro, ligas diluídas de FeCu e FeCr e multicamadas de Fe/Cu. Os valores de termopotência dos nanofios de Fe são muito próximos aos encontrados em materiais bulk, em todas as temperaturas estudadas entre 70 e 320 K. Para o Fe puro, a termopotência de difusão à temperatura ambiente, estimada em torno de − 15 \(\upmu\)V /K de nossos dados, é amplamente suplantado pela contribuição positiva estimada do magnon-drag, próximo a 30 \(\upmu\)V/K. Em ligas diluídas de FeCu e FeCr, a potência termomagnônica diminui com o aumento da concentração de impurezas para cerca de 10 \(\upmu\)V/K a 10\(\%\) teor de impurezas. Enquanto a termopotência de difusão é quase inalterada em redes de nanofios de FeCu em comparação com Fe puro, ela é fortemente reduzida em nanofios de FeCr devido a mudanças pronunciadas na densidade de estados dos elétrons de spin majoritários. Medições realizadas em nanofios multicamadas Fe(7 nm)/Cu(10 nm) indicam uma contribuição dominante da difusão de portadores de carga para a termopotência, como encontrado anteriormente em outras multicamadas magnéticas, e um cancelamento do efeito magnon-drag. A magneto-resistência e os efeitos magneto-Seebeck medidos em nanofios multicamadas de Fe/Cu permitem a estimativa do coeficiente de Seebeck dependente de spin em Fe, que é cerca de − 7,6 \(\upmu\)V/K à temperatura ambiente.

Em metais ferromagnéticos, os elétrons são espalhados por ondas de spin. Quando esses materiais são submetidos a um gradiente de temperatura, uma corrente de magnon flui da região quente para a região fria, interagindo com o sistema eletrônico. Semelhante ao espalhamento por fônons que leva a efeitos de arrasto de fônons, a interação elétron-magnon pode produzir efeitos de arrasto magnon que contribuem positivamente para o coeficiente de Seebeck. A potência termoelétrica absoluta de um material magnético é aproximadamente dada pela soma de três contribuições independentes:

onde \(S_\text {d}\) é a parte convencional da difusão de elétrons, \(S_\text {p}\) é a contribuição do fônon-arrasto e \(S_\text {md}\) é o magnon -arraste a contribuição. A termopotência de difusão em um metal surge do não-equilíbrio da distribuição de Fermi-Dirac dos elétrons causada por um gradiente térmico. De acordo com a fórmula de Mott1 pode-se escrever:

onde e é a carga eletrônica elementar, \(\lambda (\varepsilon )\) é o livre caminho médio dos elétrons em uma superfície de Fermi de área \(\Sigma\), e as derivadas são avaliadas na energia de Fermi. A termopotência de difusão é, portanto, muito sensível tanto às mudanças na estrutura eletrônica quanto aos mecanismos que espalham os elétrons. A partir de trabalhos anteriores, descobriu-se que a teoria do magnon-drag segue de perto a do phonon-drag1 e que \(S_\text {md}\) pode ser expresso como1,2,3

onde \(\tau _\text {em}\) é o tempo de espalhamento para colisões magnon-elétron, \(\tau _\text {m}\) o tempo total de relaxação do momento para magnons, n a densidade eletrônica, e \ (C_\text {m}\) a capacidade térmica específica de magnon por unidade de volume. Apesar do trabalho experimental e teórico realizado nas últimas décadas em diferentes materiais, ainda é difícil obter evidências experimentais da existência de efeitos magnon-drag. Uma das razões é que a separação da energia termoelétrica em seus diferentes componentes é relativamente complexa. Em trabalho pioneiro, Blatt et al.4 mediram a termopotência do ferro em uma ampla faixa de temperatura e concluíram que no Fe o magnon-drag desempenha um papel dominante. Embora seja esperado que o magnon-drag seja progressivamente reduzido pelo campo magnético externo, poucos resultados experimentais foram obtidos, mostrando efeitos de amplitudes relativamente pequenas2,5. Estudos subseqüentes sobre filmes finos e ferro a granel e ligas à base de Fe destacaram a contribuição significativa do magnon-drag para a termopotência3,6,7. Além disso, a evidência do efeito magnon-drag em fios de NiFe foi fornecida por medições feitas em um dispositivo semelhante a uma termopilha8. Também foi proposto um mecanismo de transferência de spin para termopotência magnon-drag em ferromagnetos de condução em massa9. Mais recentemente, uma grande contribuição magnon-drag para a termopotência foi relatada em MnTe10 antiferromagnético dopado com Li. Além disso, o efeito termoelétrico magnon-drag em ferromagnetos com uma estrutura skyrmion foi estudado teoricamente11. Além disso, o surgimento da spin-caloritrônica e de novos efeitos associados ao acoplamento entre as correntes de carga, spin e calor criou um novo interesse no estudo da termoeletricidade em heteroestruturas ferromagnéticas. Entre eles, o efeito Seebeck de spin resultante da interação entre a corrente de spin magnônica induzida termicamente no ferroímã e a geração de uma tensão Hall de spin (inversa) em um metal normal adjacente tem recebido atenção especial12,13,14. Por outro lado, nanofios ferromagnéticos obtidos por deposição eletroquímica usando moldes nanoporosos têm recebido muita atenção nas últimas décadas porque esta abordagem de fabricação é muito versátil, permitindo o estudo de diferentes sistemas de nanofios magnéticos, como nanofios simples, arranjos paralelos de nanofios e redes de nanofios interconectadas15,16,17,18,19,20,21. Além disso, esta abordagem de síntese permite a fácil fabricação de ligas magnéticas de composição controlada, bem como sistemas multicamadas onde a corrente flui perpendicularmente ao plano das camadas (configuração CPP), que é uma geometria adequada para investigar propriedades gigantes de transporte magnético16,22 ,23,24. As redes de nanofios interconectadas são particularmente adequadas para medições de termopotência. De fato, neste sistema, correntes elétricas e térmicas fluem globalmente no plano do filme de nanofio cruzado seguindo caminhos em zigue-zague ao longo dos eixos do nanofio25,26. Essa configuração reduz muito os problemas de resistência de contato térmico, uma importante fonte de erro quando o gradiente térmico é estabelecido na direção fora do plano de membranas nanoporosas contendo matrizes de nanofios paralelos, devido à espessura dos modelos porosos. Os gigantescos efeitos magneto-Seebeck relatados recentemente em multicamadas magnéticas feitas de redes de nanofios tornaram possível extrair parâmetros spin-caloritrônicos fundamentais, como os coeficientes de Seebeck dependentes de spin e realizar interruptores termoelétricos ativados magneticamente25,27,28.