[論文レビュー] Giant and tunneling magnetoresistance effects from anisotropic and valley-dependent spin-momentum interactions in antiferromagnets

Libor Šmejkal, Anna Birk Hellenes+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、非相対論的スピン軌道結合を必要とせず、各向性およびバルク依存の整列スピン運動量相互作用を介して、整列反強磁性体における巨大磁気抵抗（GMR）およびトンネル磁気抵抗（TMR）効果を提案する。これにより、ゼロのネット磁化のもとでも保存されるスピン電流が生じる。第一原理計算により、Mn₅Si₃などの材料で最大100%のTMR比が予測され、相対論的スピン軌道結合を用いずとも、反強磁性体におけるスピントロニクス的検出およびスピン転送トルク励起が可能になる。

ABSTRACT

Giant or tunneling magnetoresistance are physical phenomena used for reading information in commercial spintronic devices. The effects rely on a conserved spin current passing between a reference and a sensing ferromagnetic electrode in a multilayer structure. Recently, we have proposed that these fundamental spintronic effects can be realized in collinear antiferromagnets with staggered spin-momentum exchange interaction, which generates conserved spin currents in the absence of a net equilibrium magnetization. Here we elaborate on the proposal by presenting archetype model mechanisms for the antiferromagnetic giant and tunneling magnetoresistance effects. The models are based, respectively, on anisotropic and valley-dependent forms of the non-relativistic staggered spin-momentum interaction. Using first principles calculations we link these model mechanisms to real antiferromagnetic materials and predict a $\sim$100\% scale for the effects. We point out that besides the GMR/TMR detection, our models directly imply the possibility of spin-transfer-torques excitation of the antiferromagnets.

研究の動機と目的

• 非相対論的バンド構造における各向性およびバルク依存の整列スピン運動量相互作用を用いて、反強磁性体における非相対論的GMRおよびTMR効果を確立すること。
• ネット磁化がゼロであるにもかかわらず、強固で保存されるスピン電流を実現するという、歴史的な課題を克服すること。
• これらの効果が実験的に高い効率で実現可能な実在の材料を同定すること。
• 反強磁性スピントロニクス素子が、非相対論的メカニズムを用いて電気的リードアウト（GMR/TMR）および電気的スイッチング（STT）を両立できることを示すこと。

提案手法

• 非相対論的バンド構造における各向性およびバルク依存の整列スピン運動量相互作用に基づく模型を構築する。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、反強磁性体の電子バンド構造、状態密度、スピン極化度を計算する。
• エネルギーおよびフェルミ準位の関数としてのトンネル磁気抵抗（TMR）比を計算し、最大TMRを達成する最適なエネルギー窓を同定する。
• スピン極化度パラメータとTMRとの相関関係を分析し、メカニズムの妥当性を検証する。
• RuO₂とMn₅Si₃におけるTMR性能を比較し、フェルミ準位におけるスピン分離の増幅および状態密度の向上により、Mn₅Si₃が優れた候補であると特定する。
• フレームワークを拡張し、反強磁性多層膜におけるスピン転送トルク（STT）励起を予測し、フェリ磁性系と同等の効率を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的スピン軌道結合に依存せず、反強磁性体において巨大磁気抵抗（GMR）およびトンネル磁気抵抗（TMR）効果を実現できるか？
• RQ2 各向性およびバルク依存の整列スピン運動量相互作用は、ゼロのネット磁化を持つ反強磁性体でどのように保存されるスピン電流を生成するか？
• RQ3 どの実在の反強磁性体が十分なスピン分離およびスピン極化輸送を示し、大きなTMR比を支えるか？
• RQ4 同じメカニズムが反強磁性多層膜における効率的なスピン転送トルク励起を可能にするか？
• RQ5 Mn₅Si₃およびRuO₂などの材料において、これらのメカニズム下でTMR効果の定量的大きさはどの程度か？

主な発見

• Mn₅Si₃におけるバルク依存の整列スピン運動量相互作用は、フェルミ準位付近の特定のエネルギー窓で最大100%のTMR比を示す。
• 第一原理計算により、Mn₅Si₃が時間反転不変点（M₁、M₂、L₁、L₂）で強いスピン分離を示すことが確認され、大規模なTMRが可能である。
• TMR比は、サブラティスに投影された状態密度から導かれるスピン極化度パラメータと強く相関しており、メカニズムの妥当性が裏付けられる。
• RuO₂はフェルミ準位における弱く、スピン依存性が低い状態密度のため、TMRが低く、Mn₅Si₃に比べて劣る。
• 各向性の整列スピン運動量相互作用は金属的反強磁性GMR/STT構造に適しており、バルク依存の形式はトンネル接合において最適である。
• 本研究では、反強磁性スピントロニクス素子が非相対論的スピン電流を用いてGMR/TMRリードアウトおよびSTTスイッチングを両立できることを予測し、完全な電気的制御を可能にする。