[論文レビュー] Crystal facet orientated Altermagnets for detecting ferromagnetic and antiferromagnetic states by giant tunneling magnetoresistance effect

Boyuan Chi, Leina Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Magnetic properties of thin filmsPhysics and Astronomy参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、結晶面方位に依存するスピン極性化を示す反代数的磁性体RuO2を用いた反代数的磁性トンネル接合（ATMTJ）を提案する。電流が[110]方向に流れる場合、RuO2のバンド構造に生じる運動量分解型スピン分裂のおかげで、トンネル磁気抵抗（TMR）比が最大6100%に達する。ATMTJは、Néelベクトル状態をTMR対比によって検出可能な耐磁場性に優れた磁気センサとして機能し、反代数的磁性体電極を用いた高TMR比のスピントロニクス素子実現への道筋を示す。

ABSTRACT

Emerging altermagnetic materials with vanishing net magnetizations and unique band structures have been envisioned as an ideal electrode to design antiferromagnetic tunnel junctions. Their momentum-resolved spin splitting in band structures defines a spin-polarized Fermi surface, which allows altermagnetic materials to polarize current as a ferromagnet, when the current flows along specific directions relevant to their altermagnetism. Here, we design an Altermagnet/Insulator barrier/Ferromagnet junction, renamed as altermagnetic tunnel junction (ATMTJ), using RuO$_2$/TiO$_2$/CrO$_2$ as a prototype. Through first-principles calculations, we investigate the tunneling properties of the ATMTJ along the [001] and [110] directions, which shows that the tunneling magnetoresistance (TMR) is almost zero when the current flows along the [001] direction, while it can reach as high as 6100\% with current flows along the [110] direction. The spin-resolved conduction channels of the altermagnetic RuO$_2$ electrode are found responsible for this momentum-dependent (or transport-direction-dependent) TMR effect. Furthermore, this ATMTJ can also be used to readout the Néel vector of the altermagnetic electrode RuO$_2$. Our work promotes the understanding toward the altermagnetic materials and provides an alternative way to design magnetic tunnel junctions with ultrahigh TMR ratios and robustness of the altermagnetic electrode against external disturbance, which broadens the application avenue for antiferromagnetic spintronic devices.

研究の動機と目的

• 反代数的磁性体を用いた、巨大TMR比を達成する新しい磁気トンネル接合の設計を目的とする。
• 反代数的磁性体におけるNéelベクトル状態の検出の難しさを、反代数的磁性体のスピン極性化伝導を活用することで克服することを目的とする。
• 電流が特定の結晶学的方向に沿って流れる場合、反代数的磁性体電極が、フェロ磁性体と同様に効果的なスピン極性化障壁として機能することを示すこと。
• フェロ磁性体参照層を用いながらも、反代数的磁性体電極の耐性を保ったまま、完全反代数的磁性体MTJの実用的で耐磁場性に優れた代替手段を提供すること。
• 輸送方向依存性TMRを有する高TMR比スピントロニクス素子の設計原則を、反代数的磁性体を用いて確立すること。

提案手法

• 第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、RuO2の電子バンド構造およびフェルミ面をモデル化し、高対称性ラインに沿ったスピン分裂を同定する。
• [001]および[110]結晶方向に沿ったRuO2(110)/TiO2/CrO2ヘテロ構造におけるトンネル磁気抵抗（TMR）を計算し、輸送の異方性を評価する。
• スピン分解伝導チャネルを分析し、TMR挙動とスピン上・下のフェルミ面シートの形状および対称性の関係を相関付ける。
• RuO2の磁気空間群を検討し、TPτおよびUτ対称性の破れを確認することで、運動量空間における非相対論的スピン分裂を可能にする要因を特定する。
• 同様のバンド構造および伝導チャネル解析を用いて、他の反代数的磁性体（例：CrSb）への応用可能性を評価する。
• 比較のため、仮想の完全反代数的磁性体RuO2/TiO2/RuO2接合における理論的TMRも計算し、685.1%のTMRを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量分解型スピン分裂を示す反代数的磁性体が、電極として用いられたトンネル接合で巨大TMRを発現できるか？
• RQ2 反代数的磁性体電極の結晶学的方位が、磁気トンネル接合におけるTMR比にどのように影響を与えるか？
• RQ3 反代数的磁性体/絶縁体/フェロ磁性体接合において、TMR対比を用いて反代数的磁性体電極のNéelベクトル状態を読み出せるか？
• RQ4 スピン極性化フェルミ面トポロジーが、反代数的磁性体における方向依存TMRを可能にする役割は何か？
• RQ5 反代数的磁性体トンネル接合は、従来の反磁性体またはフェロ磁性体トンネル接合に比べ、TMRの大きさおよび外部磁場に対する耐性面で優れているか？

主な発見

• 電流が[001]方向に流れる場合、対称的なスピン伝導チャネルのため、ATMTJのTMR比はほぼゼロとなる。
• 電流が[110]方向に流れる場合、RuO2(110)における非対称なスピン上・下の伝導チャネルのおかげで、TMR比が6100%に達する。
• 巨大TMR効果は、RuO2における運動量空間スピン分裂に起因し、特定の輸送方向に沿ってフェロ磁性体に似たスピン極性化フェルミ面を形成する。
• 反代数的磁性体RuO2電極は、TMR対比を用いてNéelベクトル状態を検出可能であり、反磁性秩序の読み出しメカニズムを提供する。
• 反代数的磁性体参照層が本質的に耐磁場性を有するため、ATMTJは外部磁場に対して強く、磁気センサ用途に適している。
• 本手法は一般化可能である：Néel温度が高く、スピン極性化が顕著なCrSbも、[10̄11]方向に電流を流すと巨大TMRを示し、本手法の広範な適用可能性を裏付けている。