Magnon spin currents in the ferrimagnetic garnet Tb3Fe5O12 with 4f electrons were examined through the spin-Seebeck effect and neutron scattering measurements. The compound shows a magnetic compensation, where the spin-Seebeck signal reverses above and below T comp = 249.5 ( 4 ) K. Unpolarized neutron scattering unveils two major magnon branches with finite energy gaps, which are well explained in the framework of spin-wave theory. Their temperature dependencies and the direction of the precession motion of magnetic moments, i.e., magnon polarization, defined using polarized neutrons, explain the reversal at T comp and decay of the spin-Seebeck signals at low temperatures. We illustrate an example that momentum- and energy-resolved microscopic information is a prerequisite to understand the magnon spin current.

1.
R. H.
Silsbee
,
A.
Janossy
, and
P.
Monod
,
Phys. Rev. B
19
,
4382
(
1979
).
2.
S.
Mizukami
,
Y.
Ando
, and
T.
Miyazaki
,
Phys. Rev. B
66
,
104413
(
2002
).
3.
Y.
Tserkovnyak
,
A.
Brataas
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
117601
(
2002
).
4.
Y. K.
Kato
,
R. C.
Myers
,
A. C.
Gossard
, and
D. D.
Awschalom
,
Science
306
,
1910
(
2004
).
5.
J.
Wunderlich
,
B.
Kaestner
,
J.
Sinova
, and
T.
Jungwirth
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
047204
(
2005
).
6.
M. W. J.
Prins
,
H.
van Kempen
,
H.
van Leuken
,
R. A.
de Groot
,
W. V.
Roy
, and
J. D.
Boeck
,
J. Phys.: Condens. Matter
7
,
9447
(
1995
).
7.
K.
Uchida
,
S.
Takahashi
,
K.
Harii
,
J.
Ieda
,
W.
Koshibae
,
K.
Ando
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Nature
455
,
778
(
2008
).
8.
A.
Slachter
,
F. L.
Bakker
,
J.-P.
Adam
, and
B. J.
van Wees
,
Nat. Phys.
6
,
879
(
2010
).
9.
L. J.
Cornelissen
,
J.
Liu
,
R. A.
Duine
,
J.
Ben Youssef
, and
B. J.
van Wees
,
Nat. Phys.
11
,
1022
(
2015
).
10.
T.
Kikkawa
and
E.
Saitoh
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
14
,
129
(
2023
).
11.
J.
Xiao
,
G. E. W.
Bauer
,
K.
Uchida
,
E.
Saitoh
, and
S.
Maekawa
,
Phys. Rev. B
81
,
214418
(
2010
).
12.
A.
Azevedo
,
L. H.
Vilela-Le ao
,
R. L.
Rodriguez-Suarez
,
A. B.
Oliveira
, and
S. M.
Rezende
,
J. Appl. Phys.
97
,
10C715
(
2005
).
13.
E.
Saitoh
,
M.
Ueda
,
H.
Miyajima
, and
G.
Tatara
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
182509
(
2006
).
14.
S. O.
Valenzuela
and
M.
Tinkham
,
Nature
442
,
176
(
2006
).
15.
T.
Kimura
,
Y.
Otani
,
T.
Sato
,
S.
Takahashi
, and
S.
Maekawa
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
156601
(
2007
).
16.
Y.
Nambu
and
S.
Shamoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
90
,
081002
(
2021
).
18.
J. S.
Plant
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
10
,
4805
(
1977
).
19.
J. S.
Plant
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
16
,
7037
(
1983
).
20.
V.
Cherepanov
,
I.
Kolokolov
, and
V.
L'vov
,
Phys. Rep.
229
,
81
(
1993
).
21.
A. J.
Princep
,
R. A.
Ewings
,
S.
Ward
,
S.
Tóth
,
C.
Dubs
,
D.
Prabhakaran
, and
A. T.
Boothroyd
,
npj Quantum Mater.
2
,
63
(
2017
).
22.
L.-S.
Xie
,
G.-X.
Jin
,
L.
He
,
G. E. W.
Bauer
,
J.
Barker
, and
K.
Xia
,
Phys. Rev. B
95
,
014423
(
2017
).
23.
S.
Shamoto
,
T. U.
Ito
,
H.
Onishi
,
H.
Yamauchi
,
Y.
Inamura
,
M.
Matsuura
,
M.
Akatsu
,
K.
Kodama
,
A.
Nakao
,
T.
Moyoshi
,
K.
Munakata
,
T.
Ohhara
,
M.
Nakamura
,
S.
Ohira-Kawamura
,
Y.
Nemoto
, and
K.
Shibata
,
Phys. Rev. B
97
,
054429
(
2018
).
24.
Y.
Nambu
,
J.
Barker
,
Y.
Okino
,
T.
Kikkawa
,
Y.
Shiomi
,
M.
Enderle
,
T.
Weber
,
B.
Winn
,
M.
Graves-Brook
,
J. M.
Tranquada
,
T.
Ziman
,
M.
Fujita
,
G. E. W.
Bauer
,
E.
Saitoh
, and
K.
Kakurai
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
027201
(
2020
).
25.
T.
Kikkawa
,
K.
Uchida
,
S.
Daimon
,
Z.
Qiu
,
Y.
Shiomi
, and
E.
Saitoh
,
Phys. Rev. B
92
,
064413
(
2015
).
26.
J.
Barker
and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
217201
(
2016
).
27.
S.
Geprägs
,
A.
Kehlberger
,
F. D.
Coletta
,
Z.
Qiu
,
E. J.
Guo
,
T.
Schulz
,
C.
Mix
,
S.
Meyer
,
A.
Kamra
,
M.
Althammer
,
H.
Huebl
,
G.
Jakob
,
Y.
Ohnuma
,
H.
Adachi
,
J.
Barker
,
S.
Maekawa
,
G. E. W.
Bauer
,
E.
Saitoh
,
R.
Gross
,
S. T. B.
Goennenwein
, and
M.
Kläui
,
Nat. Commun.
7
,
10452
(
2016
).
28.
S.
Geller
,
J. P.
Remeika
,
R. C.
Sherwood
,
H. J.
Williams
, and
G. P.
Espinosa
,
Phys. Rev.
137
,
A1034
(
1965
).
29.
J.
Cramer
,
E.
Guo
,
S.
Geprägs
,
A.
Kehlberger
,
Y. P.
Ivanov
,
K.
Ganzhorn
,
F. D.
Coletta
,
M.
Althammer
,
H.
Huebl
,
R.
Gross
,
J.
Kosel
,
M.
Kläui
, and
S. T. B.
Goennenwein
,
Nano Lett.
17
,
3334
(
2017
).
30.
J.
Yamamoto
,
B. T.
Smith
, and
E. E.
Bell
,
J. Opt. Soc. Am.
64
,
880
(
1974
).
31.
T. D.
Kang
,
E. C.
Standard
,
P. D.
Rogers
,
K. H.
Ahn
,
A. A.
Sirenko
,
A.
Dubroka
,
C.
Bernhard
,
S.
Park
,
Y. J.
Choi
, and
S.-W.
Cheong
,
Phys. Rev. B
86
,
144112
(
2012
).
33.
R.
Kajimoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
80
,
SB025
(
2011
).
34.
K. C.
Rule
,
F.
Darmann
,
T.
Oste
,
D.
Barlett
,
F.
Franceschini
,
A.
Berry
,
A.
McGregor
,
A.
Ogrin
,
T.
Eresez
,
A.
Kafes
,
S.
Pangelis
,
S.
Danilkin
,
A. P. J.
Stampfl
, and
S. R.
Olsen
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
901
,
140
(
2018
).
35.
F. D.
Colegrove
,
L. D.
Schearer
, and
G. K.
Walters
,
Phys. Rev.
132
,
2561
(
1963
).
36.
A. G.
Manning
,
S.
Yano
,
S.
Kim
,
W. B.
Lee
,
S.
Choi
, and
N. R.
de Souza
,
Quantum Beam Sci.
7
,
35
(
2023
).
37.
N.
Hur
,
S.
Park
,
S.
Guha
,
A.
Borissov
,
V.
Kiryukhin
, and
S.-W.
Cheong
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
042901
(
2005
).
38.
Y.
Nambu
,
M.
Enderle
,
T.
Weber
, and
K.
Kakurai
,
J. Phys.: Conf. Ser.
2481
,
012004
(
2023
).
39.
F.
Sayetat
,
J. X.
Boucherle
, and
F.
Tcheou
,
J. Magn. Magn. Mater.
46
,
219
(
1984
).
40.
A.
Sola
,
V.
Basso
,
M.
Kuepferling
,
M.
Pasquale
,
D.
Meier
,
G.
Reiss
,
T.
Kuschel
,
T.
Kikkawa
,
K.
Uchida
,
E.
Saitoh
,
H.
Jin
,
S. J.
Watzman
,
S.
Boona
,
J.
Heremans
,
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Zhang
,
J. E.
Pearson
,
A.
Hoffmann
, and
H. W.
Schumacher
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
68
,
1765
(
2019
).
41.
K.
Uchida
,
H.
Adachi
,
T.
Kikkawa
,
A.
Kirihara
,
M.
Ishida
,
S.
Yorozu
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Proc. IEEE
104
,
1946
(
2016
).
42.
T.
Kikkawa
,
K.
Uchida
,
S.
Daimon
,
Y.
Shiomi
,
H.
Adachi
,
Z.
Qiu
,
D.
Hou
,
X.-F.
Jin
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Phys. Rev. B
88
,
214403
(
2013
).
43.
The H-slope for the normal Nernst effect in Pt was evaluated to be 0.12 nV / KT at T = 10 K, which is one order of magnitude smaller than that for the observed SSE at the same temperature [ S / μ 0 H 1.4 nV/KT for 0.5  μ 0 H  9 T in Fig. 1(e)].
44.
J.
Kennedy
and
R.
Eberhart
,
Proc. IEEE Int. Conf. Neural. Networks
4
,
1942
(
1995
).
45.
S.
Toth
and
B.
Lake
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
166002
(
2015
).
46.
H.
Man
,
Z.
Shi
,
G.
Xu
,
Y.
Xu
,
X.
Chen
,
S.
Sullivan
,
J.
Zhou
,
K.
Xia
,
J.
Shi
, and
P.
Dai
,
Phys. Rev. B
96
,
100406(R)
(
2017
).
47.
V.
Peçanha-Antonio
,
D.
Prabhakaran
,
C.
Balz
,
A.
Krajewska
, and
A. T.
Boothroyd
,
Phys. Rev. B
105
,
104422
(
2022
).
48.
M.
Lahoubi
,
J. Phys.: Conf. Ser.
340
,
012068
(
2012
).
49.
T.
Chatterji
,
Neutron Scattering from Magnetic Materials
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2006
).
50.
H.
Adachi
,
J.
Ohe
,
S.
Takahashi
, and
S.
Maekawa
,
Phys. Rev. B
83
,
094410
(
2011
).
You do not currently have access to this content.