Theory of phonon-drag spin Seebeck effect

フォノンドラッグ・スピンゼーベック効果の理論

安立 裕人; 大江 純一郎*; 高橋 三郎; 前川 禎通

Adachi, Hiroto; Oe, Junichiro*; Takahashi, Saburo; Maekawa, Sadamichi

温度勾配からスピン圧を生成するスピンゼーベック効果は磁性金属,磁性半導体,磁性絶縁体のそれぞれにおいて観測され、現在では強磁性体に付随する普遍的性質との認識が確立している。近年の理論及び実験的な努力の結果、スピンゼーベック効果には音波の自由度が重要であることが明らかとなってきた。ここでは、非平衡音波が低エネルギースピン励起を刺激する、いわゆるフォノンドラッグ効果について議論する。このシナリオでは、スピンゼーベック効果の信号は音波の熱伝導率を追跡する形で低温で増大することを予言する。講演では、この予言された振る舞いがごく最近の実験によって確認されたことなどを報告する。

The spin Seebeck effect, i.e., the generation of the spin voltage by a temperature gradient, is now established as an universal aspect of ferromagnets as it is observed in several ferromagnetic materials ranging from metallic ferromagnet NiFe and semiconducting ferromagnet GaMnAs to an insulating magnet LaYFeO. Recent theoretical and experimental efforts have clarified the important role of phonons in the spin Seebeck effect. Here we theoretically discuss the phonon-drag process in the spin Seebeck effect; the spin Seebeck effect is enormously enhanced by nonequilibrium phonons that drag the low-lying spin excitations. This scenario predicts that the spin Seebeck signal at low temperatures tracks the phonon-dominated thermal conductivity of the system, and the predicted behaviour has been confirmed by recent experiments for yttrium iron garnet and for GaMnAs.