Construction of a magnetic field meter for use in processes of generation and manipulation of pure spin currents

In this work we present the construction of a magnetic field meter (gaussmeter) with high sensitivity and detection from 1 to 80 mT, consisting of simple electronic components, with a proposal of application in an experimental setup for the generation of pure spin currents through the effect spin Seebeck. Through a USB cable, the device is powered and exchanges data with a computer via communication in C $+, +$ language with Arduino Uno, together with a LabVIEW graphical interface. To perform measurements in deep environments, such as inside electromagnets, a Hall probe was developed. The equipment also has an LCD screen. The magnetic field sensor used is the SS49E, with which it was possible to obtain measurements with appropriate resolution and range. The developed gaussmeter was used in the development of an experimental setup for investigations of the spin Seebeck and spin Hall effects, where it was possible to estimate the spin Hall angle for bilayers formed by a platinum (Pt) film grown on a YIG insulating magnetic film. Therefore, the developed gaussmeter has the potential to be used both in teaching and research environments and its main advantage is the low production cost, approximately US$ 22.00.

Keywords:
Magnetic field meter; gaussmeter; Hall effect sensor; spintronics; Spin Seebeck effect; Spin Hall Effect

Authorship

Wenderson R.F. Silva ^** Endereço de correspondência: wenderson.f@ufv.br

Universidade Federal de Viçosa, Departamento de Física, 36570-900, Viçosa, MG, Brasil.Universidade Federal de ViçosaBrasilViçosa, MG, BrasilUniversidade Federal de Viçosa, Departamento de Física, 36570-900, Viçosa, MG, Brasil.

https://orcid.org/0000-0001-8583-7376

Leonardo V. Freitas

Rafael O.R.R. Cunha

https://orcid.org/0000-0002-6039-3892

Joaquim B.S. Mendes

https://orcid.org/0000-0001-9381-0448

* Endereço de correspondência: wenderson.f@ufv.br

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Figura 1:
(a) Representação do efeito Hall clássico. Uma corrente densidade de corrente elétrica

J_{c}

ao longo do eixo

x

é injetada no material, o qual está submetido a um campo magnético

B

em z, que empurra as cargas para a extremidades ao longo do eixo y. (b) Representação do efeito Hall de spin.

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Figura 2:
(a) Diagrama esquemático com os principais componentes. (b) Esquema elétrico do gaussímetro proposto.

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Figura 3:
Esquema relacionado a montagem utilizada para observar a geração de correntes de spin via ISHE. O eletroímã é alimentado pela fonte de tensão. A amostra é fixada no suporte e os terminais eletrônicos são ligados no nanovoltímetro e o modulo Peltier em uma segunda fonte de tensão. O gaussímetro é conectado ao computador por onde pode-se salvar e analisar os dados em tempo real.

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Figura 4:
Imagem do gaussímetro montado. (a) cabo USB, em (b) dispositivo montado e, em (C), sonda com sensor Hall na extremidade.

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Figura 5:
Curva de Calibração: valores da tensão Hall em volts medidos pelo gaussímetro proposto em função do campo magnético, em tesla, medido pelo gaussímetro industrial, para ambos os sensores situados no centro do eletroímã e para as mesmas tensões aplicadas a ele.

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Figura 6:
Campo magnético medido pelo gaussímetro proposto em função do tempo para uma tensão aplicada ao eletroímã da marca GMW, de (a)

-

3,0 a 3,0 V e (b)

-

6,0 a 6,0 V.

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Figura 7:
Calibração do eletroímã utilizado na montagem para estudo do efeito spin Seebeck: diferença de potencial aplicada (DDP) no eletroímã em função do campo magnético gerado para realização dos experimentos SSE.

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Figura 8:
(a) Representação dos mecanismos de geração e detecção de corrente de spin em uma amostra típica formada pela interface de um filme de Pt crescido sobre YIG. A corrente de spin

J_{s}

é gerada ao longo da direção z pelo efeito spin Seebeck no filme de YIG. No filme de Pt ocorre a conversão da corrente de spin

J_{s}

em corrente de carga

J_{c}

ao longo do eixo y e devido ao efeito spin Hall inverso. (b) Variação da tensão ISHE em função do campo magnético para diferentes gradientes de temperatura. (c) Estudo da tensão ISHE em função para diferentes gradientes de temperatura para dois campos magnéticos aplicados,

B=30

mT e

B=-30

mT. Com a inversão do campo magnético verifica-se uma mudança na orientação da tensão ISHE.

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Figura 8:
(a) Representação dos mecanismos de geração e detecção de corrente de spin em uma amostra típica formada pela interface de um filme de Pt crescido sobre YIG. A corrente de spin

J_{s}

é gerada ao longo da direção z pelo efeito spin Seebeck no filme de YIG. No filme de Pt ocorre a conversão da corrente de spin

J_{s}

em corrente de carga

J_{c}

B=30

mT e

B=-30

mT. Com a inversão do campo magnético verifica-se uma mudança na orientação da tensão ISHE.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Figura 1: (a) Representação do efeito Hall clássico. Uma corrente densidade de corrente elétrica $J_{c}$ ao longo do eixo $x$ é injetada no material, o qual está submetido a um campo magnético $B$ em z, que empurra as cargas para a extremidades ao longo do eixo y. (b) Representação do efeito Hall de spin.

Figura 2: (a) Diagrama esquemático com os principais componentes. (b) Esquema elétrico do gaussímetro proposto.

Figura 3: Esquema relacionado a montagem utilizada para observar a geração de correntes de spin via ISHE. O eletroímã é alimentado pela fonte de tensão. A amostra é fixada no suporte e os terminais eletrônicos são ligados no nanovoltímetro e o modulo Peltier em uma segunda fonte de tensão. O gaussímetro é conectado ao computador por onde pode-se salvar e analisar os dados em tempo real.

Figura 4: Imagem do gaussímetro montado. (a) cabo USB, em (b) dispositivo montado e, em (C), sonda com sensor Hall na extremidade.

Figura 5: Curva de Calibração: valores da tensão Hall em volts medidos pelo gaussímetro proposto em função do campo magnético, em tesla, medido pelo gaussímetro industrial, para ambos os sensores situados no centro do eletroímã e para as mesmas tensões aplicadas a ele.

Figura 6: Campo magnético medido pelo gaussímetro proposto em função do tempo para uma tensão aplicada ao eletroímã da marca GMW, de (a) $-$ 3,0 a 3,0 V e (b) $-$ 6,0 a 6,0 V.

Figura 7: Calibração do eletroímã utilizado na montagem para estudo do efeito spin Seebeck: diferença de potencial aplicada (DDP) no eletroímã em função do campo magnético gerado para realização dos experimentos SSE.

Figura 8: (a) Representação dos mecanismos de geração e detecção de corrente de spin em uma amostra típica formada pela interface de um filme de Pt crescido sobre YIG. A corrente de spin $J_{s}$ é gerada ao longo da direção z pelo efeito spin Seebeck no filme de YIG. No filme de Pt ocorre a conversão da corrente de spin $J_{s}$ em corrente de carga $J_{c}$ ao longo do eixo y e devido ao efeito spin Hall inverso. (b) Variação da tensão ISHE em função do campo magnético para diferentes gradientes de temperatura. (c) Estudo da tensão ISHE em função para diferentes gradientes de temperatura para dois campos magnéticos aplicados, $B=30$ mT e $B=-30$ mT. Com a inversão do campo magnético verifica-se uma mudança na orientação da tensão ISHE.

(1)

V_{h a l l} = α B .

(2)

B_{I} (T) = [V_{h a l l} (V) + 0, 04] / 20, 4 .

(3)

{\vec{J}}_{C} = θ_{S H} (2 e / ℏ) {\vec{J}}_{S} \times \hat{σ},

(4)

V_{I S H E} = F_{P} R w (2 e / ℏ) λ θ_{S H} \tanh (\frac{t_{P t}}{2 λ}) J_{S},

(5)

β = \frac{V_{I S H E}}{Δ T} = F_{P} R w (2 e / ℏ) λ θ_{S H} \tanh (\frac{t_{P t}}{2 λ}) \cdot (C_{s} ρ g_{e f f}^{↑ ↓} (\frac{1}{t_{a m o s t r a}})) .

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Sociedade Brasileira de Física Caixa Postal 66328, 05389-970 São Paulo SP - Brazil - São Paulo - SP - Brazil
E-mail: marcio@sbfisica.org.br

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