[논문 리뷰] Crystal facet orientated Altermagnets for detecting ferromagnetic and antiferromagnetic states by giant tunneling magnetoresistance effect

Boyuan Chi, Leina Jiang외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 18.

Magnetic properties of thin filmsPhysics and Astronomy참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 루테늄 산화물/티타늄 산화물/chromium 산화물 이종구조를 사용한 알터마그네틱 터널 접합(ATMTJ)을 제안하며, 결정 면의 정렬 덕분에 전류가 [110] 방향으로 흐를 경우 루테늄 산화물의 밴드 구조에서 운동량에 따라 분리된 스핀이 발생하여 기하급수적인 터널링 자기저항(TMR) 비율이 최대 6100%에 이를 수 있음을 보여준다. ATMTJ는 외부 자기장에 강건한 자기 센서로 기능하여 네엘 벡터 상태를 TMR 대비를 통해 감지할 수 있으며, 알터마그네틱 전극을 갖는 고 TMR 스핀트로닉스 장치 개발의 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기하급수적인 TMR 비율을 달성하는 새로운 자기 터널 접합을 알터마그네틱 물질을 사용하여 설계하는 것.
• 알터마그네틱 물질에서 네엘 벡터 상태를 감지하는 데 어려움을 겪는 문제를, 알터마그네틱체에서 스핀 정렬된 도핑을 활용하여 해결하는 것.
• 전류가 특정 결정학적 방향을 따라 흐를 경우 알터마그네틱 전극이 터널 접합에서 편자된 스핀의 장벽으로 효과적으로 기능할 수 있음을 보여주는 것, 이는 페로자성체와 유사하게 작용한다.
• 알터마그네틱 전극의 강건성을 유지하면서 페로자성 기준층을 사용함으로써, 전적으로 알터마그네틱인 MTJ의 실용적이고 자기장에 강건한 대안을 제공하는 것.
• 운반 방향 의존성 TMR를 갖는 알터마그네틱 물질 기반 고 TMR 스핀트로닉스 장치의 설계 원칙을 수립하는 것.

제안 방법

• 루테늄 산화물의 전자 밴드 구조 및 페르미 표면을 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 고대칭선을 따라 스핀 분리 현상을 확인한다.
• [001] 및 [110] 결정학적 방향을 따라 RuO2(110)/TiO2/CrO2 이종구조의 터널링 자기저항(TMR)을 계산하여 운반 이방성의 영향을 평가한다.
• 스핀 분해된 도핑 채널을 분석하여 TMR 행동과 스핀 업/다운 페르미 표면의 형태 및 대칭성 간의 상관관계를 규명한다.
• 루테늄 산화물의 자기 공간군을 분석하여 TPτ 및 Uτ 대칭성의 위반이 비상대론적 운동량 공간 내 스핀 분리를 가능하게 함을 확인한다.
• 유사한 밴드 구조 및 도핑 채널 분석을 통해 다른 알터마그네틱 물질, 예를 들어 CrSb로의 설계 확장 가능성 여부를 평가한다.
• 비교를 위해 잠재적인 전적으로 알터마그네틱인 RuO2/TiO2/RuO2 접합에서 이론적 TMR를 계산하였으며, 결과적으로 685.1%의 TMR를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동량에 따라 분리된 스핀 분리가 발생하는 알터마그네틱 물질이 전극으로 사용될 경우, 터널 접합에서 기하급수적인 TMR를 생성할 수 있는가?
• RQ2 알터마그네틱 전극의 결정학적 정렬이 자기 터널 접합의 TMR 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 하이브리드 알터마그네틱체/절연체/페로자성체 접합에서 TMR 대비를 통해 알터마그네틱 전극의 네엘 벡터 상태를 읽어낼 수 있는가?
• RQ4 스핀 정렬된 페르미 표면 기하학이 알터마그네틱 물질에서 방향 의존성 TMR를 가능하게 하는 역할는 무엇인가?
• RQ5 알터마그네틱 터널 접합이 기존의 반자성체 또는 페로자성체 터널 접합에 비해 TMR 크기와 외부 자기장에 대한 내구성 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?

주요 결과

• 전류가 [001] 방향으로 흐를 경우 대칭적인 스핀 도핑 채널로 인해 ATMTJ의 TMR 비율은 거의 0에 가까워진다.
• 전류가 [110] 방향으로 흐를 경우, RuO2(110)에서 비대칭적인 스핀 업/다운 도핑 채널이 작용하여 TMR 비율이 6100%에 도달한다.
• 기하급수적인 TMR 효과는 루테늄 산화물에서 운동량 공간 내 스핀 분리로 인해 발생하며, 이는 특정 운반 방향에서 페로자성체처럼 행동하는 스핀 정렬된 페르미 표면을 형성한다.
• 알터마그네틱 RuO2 전극은 TMR 대비를 통해 네엘 벡터 상태를 감지할 수 있으며, 반자성 질서의 판독 메커니즘을 제공한다.
• 알터마그네틱 기준층이 본질적으로 자기장에 강건하기 때문에 이 설계는 외부 자기장에 대해 강건하여 자기 센서 응용에 적합하다.
• 이 방법은 일반화 가능하다: 고 네엘 온도를 갖는 다른 알터마그네틱 물질인 CrSb 역시 전류가 [10̄11] 방향으로 흐를 경우 기하급수적인 TMR를 지닌다. 이는 본 접근법의 광범위한 적용 가능성을 확인한다.