Теорія дипольно-обмінних спінових хвиль у феромагнітній нанотрубці за наявності термоелектрично індукованого спін-переносного моменту
DOI:
https://doi.org/10.63527/1607-8829-2026-2-15-39Ключові слова:
спінова хвиля, наномагнетизм, дипольно-обмінна теорія, феромагнітна нанотрубка, одновісна магнітна анізотропія, спін-поляризований струм, термоелектрика, перенос спіну, ефект ЗеєбекаАнотація
В роботі представлено теоретичне дослідження дипольно-обмінних спінових хвиль у провідній феромагнітній нанотрубці, що перебуває під дією поздовжнього температурного градієнта. Температурний градієнт завдяки ефекту Зеєбека генерує електричний струм, який у феромагнетику стає спін-поляризованим та зумовлює виникнення спін-переносного моменту, що діє на намагніченість. Динаміка намагніченості описується в межах формалізму Ландау–Ліфшиця–Гільберта, доповненого членами спін-переносного моменту у формі Чжана–Лі, які відповідають адіабатичному та неадіабатичному спіновому транспорту. Отримано аналітичне дисперсійне співвідношення для спінових хвиль у тонкостінній нанотрубці з одновісною магнітною анізотропією з урахуванням як обмінної, так і диполь-дипольної взаємодій. Показано, що термоелектрично індукований спін-поляризований струм призводить до появи доплероподібного зсуву у спектрі спінових хвиль та змінює ефективне загасання. Визначено критичне значенння температурного градієнту, за якого неадіабатичний спін-переносний момент компенсує власне гільбертівське загасання, з подальшою генерацією спінових хвиль. Чисельні оцінки для нанотрубок з пермалою показують, що зазначений ефект може бути суттєвим за експериментально досяжних параметрів. Отримані результати виявляють прямий зв’язок між термоелектричним переносом заряду та динамікою спінових хвиль у викривлених магнітних наноструктурах, що підкреслює потенціал феромагнітних нанотрубок як елементів спін-калоритронних та термоелектричних пристроїв.
Посилання
1. Flebus, B., Grundler, D., Rana, B., Otani, Y., Barsukov, I., Barman, A., ... & Rao, J. (2024). The 2024 magnonics roadmap. Journal of Physics: Condensed Matter, 36(36), Article 363501. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ad399c
2. Anderson, M. (2025). Spin wave dynamics and magnonic devices for future computing technologies. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 589, 172045. https://jourmag.org/index.php/jma/article/view/51
3. Krawczyk, M., & Grundler, D. (2014). Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure. Journal of Physics: Condensed Matter, 26(12), Article 123202. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/12/123202
4. Ye, Y., & Geng, B. (2012). Magnetic nanotubes: Synthesis, properties, and applications. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 37(2), 75–93. https://doi.org/10.1080/10408436.2011.613491
5. Streubel, R., Lee, J., Makarov, D., Im, M. Y., Karnaushenko, D., Han, L., ... & Schmidt, O. G. (2014). Magnetic microstructure of rolled-up single-layer ferromagnetic nanomembranes. Advanced Materials, 26(2), 316–323. https://doi.org/10.1002/adma.201303003
6. Kulish, V. V. (2016). Spin waves in a ferromagnetic nanotube: Account of dissipation and spin-polarized current. Ukrainian Journal of Physics, 61(1), 59–65. https://doi.org/10.15407/ujpe61.01.0059
7. Gorobets, Y. I., & Kulish, V. V. (2015). Spin waves in a ferromagnetic nanotube of an elliptic cross-section in the presence of a spin-polarized current. Open Physics, 13(1), 263–271. https://doi.org/10.1515/phys-2015-0033
8. Slonczewski, J. C. (1996). Current-driven excitation of magnetic multilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159(1–2), L1–L7. https://doi.org/10.1016/0304-8853(96)00062-5
9. Berger, L. (1996). Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. Physical Review B, 54(13), 9353–9358. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.9353
10. Yang, G., Sang, L., Zhang, C., Ye, N., Hamilton, A., Fuhrer, M. S., & Wang, X. (2023). The role of spin in thermoelectricity. Nature Reviews Physics, 5(8), 466–482. https://doi.org/10.1038/s42254-023-00604-0
11. Yu, H., Bréchet, S. D., & Ansermet, J. P. (2017). Spin caloritronics: Origin and outlook. Physics Letters A, 381(9), 825–837. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.12.038
12. Bauer, G. E. W., Saitoh, E., & van Wees, B. J. (2012). Spin caloritronics. Nature Materials, 11(5), 391–399. https://doi.org/10.1038/nmat3301
13. Adachi, H., Uchida, K., Saitoh, E., & Maekawa, S. (2013). Theory of the spin Seebeck effect. Reports on Progress in Physics, 76(3), Article 036501. https://doi.org/10.1088/0034-4885/76/3/036501
14. Uchida, K., Takahashi, S., Harii, K., Ieda, J., Koshibae, W., Ando, K., ... & Saitoh, E. (2008). Observation of the spin Seebeck effect. Nature, 455(7214), 778–781. https://doi.org/10.1038/nature07321
15. Zink B. L. (2025). Measurement and control of magnetic thin films and devices using thermal gradients applied via suspended Si-N membranes. Science and Technology of Advanced Materials, 26(1), Article 2531735. https://doi.org/10.1080/14686996.2025.2531735
16. Gubbiotti Gianluca et al (2025). 2025 roadmap on 3D nanomagnetism. Journal of Physics: Condensed Matter, 37(4), Article 143502. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ad9655
17. Yershov K.V. et al. (2025). Chiral breakdown engineered by mesoscale Dzyaloshinskii–Moriya interaction in biaxial magnetic nanotubes. Physical Review B, 111(18), Article 184419. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.184419
18. Rivard, C., Jander, A. & Dhagat, P. Sustained amplification of coherent spin waves by parametric pumping with surface acoustic waves. npj Spintronics 3, 49 (2025). https://doi.org/10.1038/s44306-025-00115-x
19. Song, M., Polakovic, T., Lim, J. et al. Single-shot magnon interference in a magnon-superconducting-resonator hybrid circuit. Nat Commun 16, 3649 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58482-2
20. Akhiezer, A. I., Baryakhtar, V. G., & Peletminskii, S. V. (1968). Spin waves. North-Holland.
21. Zhang, S., & Li, Z. (2004). Roles of nonequilibrium conduction electrons on the magnetization dynamics of ferromagnets. Physical Review Letters, 93(12), Article 127204. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.127204
22. Vlaminck, V., & Bailleul, M. (2008). Current-induced spin-wave Doppler shift. Science, 322(5900), 410–413. https://doi.org/10.1126/science.1162843
23. Gorobets, Y. I., & Kulish, V. V. (2014). Dipole-exchange spin waves in a ferromagnetic nanotube. Ukrainian Journal of Physics, 59(5). https://doi.org/10.15407/ujpe59.05.0541
24. Tserkovnyak, Y., Brataas, A., & Bauer, G. E. W. (2002). Enhanced Gilbert damping in magnetic multilayers. Physical Review Letters, 88(11), Article 117601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.117601
25. Gamble, S. J., Burkhardt, M. H., Kashuba, A., Allenspach, R., Parkin, S. S. P., Siegmann, H. C., & Stöhr, J. (2009). Electric field induced magnetic anisotropy in a ferromagnet. Physical Review Letters, 102(21), Article 217201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.217201
26. Kulish, V. V. (2017). Magnetic spin-wave properties of ferromagnetic nanosystems of various shapes. Peculiarities of the border conditions accounting in the process of the wavenumber values spectrum finding. KPI Science News, (4), 85–92. https://doi.org/10.20535/1810-0546.2017.4.105251
27. Liu, H. Y., Wang, Z. K., Lim, H. S., Ng, S. C., Kuok, M. H., Lockwood, D. J., Cottam, M. G., Nielsch, K., & Gösele, U. (2005). Magnetic-field dependence of spin waves in ordered permalloy nanowire arrays in two dimensions. Journal of Applied Physics, 98(4), Article 046103. https://doi.org/10.1063/1.2009072
28. Dejene, F. K., Flipse, J., & van Wees, B. J. (2012). Spin-dependent Seebeck coefficients of Ni80Fe20 and Co in nanopillar spin valves. Physical Review B, 86(2), Article 024436. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.024436
29. Lepadatu, S., et al. (2009). Experimental determination of spin-transfer torque nonadiabaticity parameter and spin polarization in permalloy. Physical Review B, 79(9), Article 094402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.094402
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 В.В. Куліш, С.І. Єрьомін
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
