[論文レビュー] Topological antiferromagnetic spintronics: Part of a collection of reviews on antiferromagnetic spintronics

Libor Šmejkal, Yuriy Mokrousov+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 75被引用数 7

ひとこと要約

このレビューは、位相的反強磁性スピントロニクス分野の出現を検討し、反強磁性（AF）秩序が運動量空間および実空間における位相的状態を安定化・調整可能であると提唱する。時間反転対称性や空間反転対称性を活用することで、本稿はAF秩序が頑健なディラック／ワイル準粒子、位相的超伝導、マヨラナフェルミオンを実現可能であることを示している。主な結果として、スピン軌道トーキング効率の向上や、室温で動作する位相的メモリーや論理デバイスの実現可能性が得られている。

ABSTRACT

The recent demonstrations of electrical manipulation and detection of antiferromagnetic spins have opened up a chapter in the spintronics story. In this article, we review the emerging research field that is exploring synergies between antiferromagnetic spintronics and topological structures in real and momentum space. Active topics include proposals to realize Majorana fermions in an antiferromagnetic topological superconductors, to control topological protection of Dirac points by manipulating antiferromagnetic order parameters, and to exploit the anomalous and topological Hall effects of zero net moment antiferromagnets. We explain the basic physics concepts behind these proposals, and discuss potential applications of topological antiferromagnetic spintronics.

研究の動機と目的

• 反強磁性秩序が運動量空間（例：ディラック／ワイル半金属）および実空間（例：スカイメロン）における位相的状態を安定化・制御できる仕組みを調査すること。
• AF系におけるスピン・モーメントロックとスピン輸送効率の向上に寄与する位相的保護の役割を探索すること。
• 反強磁性と位相的性質の相乗効果によって生じる新機能、例えば電気的制御による位相的相転移の実現を同定すること。
• 低消費電力・高速なスピントロニクスデバイス（メモリーや論理応用を含む）としてのAF位相的材料の可能性を評価すること。
• AF位相的超伝導体におけるマヨラナフェルミオンの実現に関する理論的提案と、異常ホール効果による位相的効果の検出法を強調すること。

提案手法

• 時間反転対称性および空間反転対称性を有するAF系における位相的不変量の解析的・対称性に基づくモデル化。
• 群論を用いた、特にCuMnAsやSrMnBi2などの材料における保護されたディラック点およびワイルノードの同定。
• AF位相的絶縁体（AF TIs）におけるスピン軌道結合および位相的表面状態を記述する有効ハミルトニアンの適用。
• 非偏平型および偏平型AFにおけるスピン輸送現象（異常ホール効果（AHE）および位相的ホール効果（THE））の調査。
• AF/TIヘテロ構造におけるスピン軌道トーキング（SOT）効率の理論的分析、特に近接効果による磁性秩序の誘発および臨界温度の向上。
• ゲート駆動によるAFディラック半金属における位相的相転移の探索、これによりスイッチ可能なバルクディラック電流が実現可能。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反強磁性秩序は、運動量空間における位相的ディラックおよびワイル準粒子をどのように保護・安定化するか？
• RQ2 スカイメロンなどの非自明な磁気的テクスチャーは、AF系における位相的スピン輸送をどのように可能にするか？
• RQ3 AF材料における位相的保護は、スピン・チャージ変換効率の向上およびスピントロニクスデバイスにおける電流閾値の低減をもたらすか？
• RQ4 ネット磁化がゼロのAFにおける異常ホール効果は、位相的秩序の電気的検出にどのように利用できるか？
• RQ5 AF位相的超伝導体におけるマヨラナフェルミオンを実現する条件は何か。また、それらはどのようにプローブ可能か？

主な発見

• 反強磁性秩序は、$T_{1/2}\mathcal{T}$および$\mathcal{PT}$などの対称性に起因する位相的保護によって、位相的絶縁体およびディラック半金属を安定化可能である。
• CuMnAsのようなAFディラック半金属では、ゲーティングや超高速SOTによって位相的相転移を電気的に制御でき、スイッチ可能なバルクディラック電流が実現可能である。
• Mn3Geなどの非偏平型AFにおける異常ホール効果はスピンテクスチャーの配向に依存し、電気的に操作可能であるため、メモリ応用が可能である。
• CrSbなどの反強磁性体との近接結合により、磁性位相的絶縁体の臨界温度が約30 Kから90 Kに上昇し、室温動作が可能になる。
• 位相的反強磁性スピントロニクスは、低電流密度および高周波数動作が可能な位相的トランジスタといった新規デバイス概念を可能にする。
• 非偏平型AFでは、dc AHEの光学的同等物が予測されており、これにより位相的状態の全光検出およびオプトスピントロニクス応用が実現可能である。