三峡大学Adv. Funct. Mater.：自旋热输运基础理论研究进展
导读
自旋塞贝克效应及其相关的自旋热电子学是自旋电子学领域的研究热点。该研究工作重点就是在铁磁金属自旋长程输运过程中添加了自旋翻转机制，揭示了自旋翻转行为对自旋输运方程的影响，给出了不同自旋翻转弛豫时间之间的简单关联，并基于此重新定义了自旋塞贝克系数的合理表达式。该研究进展对深刻理解自旋热输运本质有重要意义。
自旋塞贝克效应（SSE）是描述自旋在温度梯度场中的输运现象，自从2008年实验上发现该效应以来，国内外已取得了许多重要进展，如人们不仅在铁磁金属、半导体、绝缘体以及反铁磁材料中观察到SSE效应，也可采用自旋塞贝克成像展示材料微观磁结构，更重要的是，它是一种产生纯自旋流的有效方法，并能对其近邻铁磁层施加转矩，实现电控磁的目的。但是，人们对铁磁金属中自旋热输运过程还存在诸多不清晰或不准确的概念和方法，如自旋相关的化学势问题——铁磁体内自旋积累与平衡问题、自旋长程输运过程中忽略了自旋翻转过程，即使如自旋塞贝克系数定义这样最基础的概念上，也还存在着模糊不清的认识，这些问题的存在极大地阻碍了对自旋热输运过程本质的认识。
针对上述问题，三峡大学潘礼庆教授课题组与美国特拉华大学John Q. Xiao教授、华中科技大学傅华华教授合作，报道了其在自旋热输运理论研究方面的最新研究进展，该成果以“Concepts of Spin Seebeck Effect in Ferromagnetic Metals”为题发表在材料领域著名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004024
对于自旋塞贝克效应，大多数文献将材料的自旋塞贝克系数直接定义为
其中S↑(S↓)和μ↑(μ↓)分别是两个自旋通道的塞贝克系数和化学势。这个形而上的定义在处理自旋热电子学中的某些输运问题时似乎是显而易见和有效的。然而，从自旋输运的物理性质出发，这种处理是不恰当的，因为自旋相关的电导率对输运性质的影响被忽略了。
本工作中，作者基于线性响应理论，在传统半经典玻尔兹曼输运方程中引入了极为重要的自旋翻转机制，来解决自旋电子器件尺度受制于自旋扩散长度的问题，揭示了长程输运中自旋翻转对自旋输运特性的影响。
在固体中，电子被声子、电子或晶格缺陷散射，其波矢由k 变为k´ 。如果系统宏观上是均匀的并且散射很弱，电子的运动可以用费米-狄拉克分布函数f(k,r,t)描述。当散射发生时，输运方程变为
根据线性响应理论，分布函数f可以写成f=f0+Δf，其中Δf是平衡分布函数f0的偏移量。在输运计算中，通常采用弛豫时间τ近似来处理碰撞过程。由碰撞引起的分布函数变化可以描述为：
对不同自旋取向的电子，分别有：
考虑自旋翻转：
自旋翻转时，弛豫时间由τλ变为τλ´。由于τ↑↓≫τ↑，
，因此，大多数情况下仍然可以获得如下形式的自旋相关输运方程：
本文的另外几个重要结论：第一，给出了自旋输运中重要参量——不同自旋翻转弛豫时间之间的重要关联：
自旋翻转弛豫时间遵循以下关系式：
其中，τ↑↓(τ↓↑) 分别是自旋向上/向下电子翻转为向下/向上的驰豫时间，n↑(n↓)分别是费米面处自旋向上/向下电子数密度。
第二，在铁磁金属内部，自旋连续性方程满足
其中，μs为自旋积累，μs=μ↑-μ↓；
为自旋流密度，n为电子数密度。
第三，依据前面讨论的自旋输运方程，本文重新定义了自旋塞贝克系数：
其中，S↑(S↓)分别是自旋向上/向下通道的塞贝克系数，σ↑(σ↓)分别是自旋向上/向下通道的电导率。
温度梯度产生的自旋电流示意图。在线性温度梯度下，除边界附近外，铁磁金属内部的自旋积累几乎可以忽略不计。在离边界数个λsf以内的区域，自旋相关化学势不再为零，并且由于不对称的自旋反转而出现自旋积累。
该表达式能更准确地反映自旋塞贝克效应中材料的本征性质。本文的相关研究结论对深刻理解自旋塞贝克效应及在电场、磁场和温度场中自旋输运本质的认识具有开拓性的意义。
测量温度梯度引起的自旋电流的思想实验方案
该文以三峡大学潘礼庆教授和美国特拉华大学John Q. Xiao教授为共同通讯作者，青年教师易立志博士和硕士生杨栋超为共同第一作者。该工作得到了华中科技大学物理学院傅华华教授的大力支持，并受到国家自然科学基金委资助。
本文由作者团队供稿。
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