spin flip scattering(스핀 반전 산란)_spin orbit scattering

정의상 가정	spin orbit coupling 연속방정식(Continuity Equation) 스핀파(spin wave) magnetic material_강반자성AFM(antiferromagnetic), 강자성FM(ferromagnetic), paramagnetic, diamagnetic
내용상 가정
공식
단위
응용	자기저항_거대자기저항(GMR)_터널자기저항(TMR)(참고로 스핀 반전 산란은 아래와 같은 원리때문에 자기저항에 좋지 않은 영향을 줍니다.)

 

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

 

전자가 산란할 때, 전자의 spin 뱡향이 up에서 down으로 바뀌거나 down에서 up으로 바뀌는 것입니다.

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이때, 서로 바뀌는 것이 동시에 일어나서 총 스핀은 보존됩니다.

 

왜 그럴까요??

바로 제작과정에 오차로 비자성 물질에 자성물질이 impurities로 들어가서 그렇습니다.

 

전자가 이렇게 들어간 자기 impurity과 충돌하여 산란한다면, 산란된 전자의 스핀과 impurity의 스핀이 상호작용하여 impurity의 spin은 자유롭게 rotate할 수 있습니다.

즉 spin이 마구 바뀌는 것이죠...

이때 impurity의 spin이 속박되지 않고 자유로워야 하기 때문에, 비자성-자성 multi-layer에서 impurity spin이 강자성층 레이어와 강하게 coupled되어있지 않을 때 발생할 수 있습니다.

위 그림의 가장 위에 상황입니다.

이러한 경우는 보통 impurity가 강자성체 spacer(여기서는 비자성체를 spacer라 하겠습니다.) 사이 interface에 있지 않을때 가능합니다.

 

추가로 비자성-자성 multi-layer에서 전자는 강자성체의 spin wave에 의해 산란될 수 있습니다.

위 그림의 두번째 상황인데,

spin wave는 spin한개의 quasi particle이기 때문에, spin wave가 전자의 충돌에 의해 만들어진다면, 이는 다른 전자 spin을 반전시킬 수 있습니다.

spin wave의 에너지가 포함된다면, 이는 비탄성적인 과정으로 열을 발생시킵니다.

 

참고로 multi layer에 강한 spin-orbit interaction을 가진 impurities가 존재한다면, spin orbit interaction에 의해 impurity는 잘 반전하게 되는 경우도 있습니다. 이를 spin orbit scattering이라 합니다. 위그림의 세번째 상황입니다.

 

기존의 전하와 같은 논의도 진행시킬 수 있습니다.

전하의 경우 전하량 보존이 되어 연속방정식(Continuity Equation)을 만족합니다.

그러나 spin의 경우 흐르는 와중 마구 filp이 가능하기 때문에 보존된다고 할 수 없는데, 이는 위에서 언급했듯 scattering과 relaxation term(시간)으로 filp되므로 이들의 term때문에 보존이 안된다고 볼 수 있습니다.

입니다. 이때 D는 diffusion이고 S는 spin state입니다.

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사실 이 flip 에 대해서는 크게 두가지 이론이 있는데, 위에서 설명한것 같이, 몇번 부딪히다 확 뒤집어지는 filp 현상인 E.Y(Elliot Yafet)의 이론이 있고 spin orbit coupling를 받아 스르륵 filp이 되는 DD(Dyakonv-perel)의 이론이 있습니다.

둘다 맞는 설명인데, 크게 EY는 온도가 높고 disorder 주로 일어나고 DD는 그 반대입니다.

 

spin orbit coupling을 측정하는 과정에, 두가지 Damping을 측정하는 방법과, Inverse Hall effect를 측정하는 과정에 inverse가 damping보다 SOC값이 너무 크게 나오는 경향이 있었습니다.