[논문 리뷰] Giant and tunneling magnetoresistance effects from anisotropic and valley-dependent spin-momentum interactions in antiferromagnets

Libor Šmejkal, Anna Birk Hellenes외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 23.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비대칭성과 밴드 구조의 밴드-의존성 정렬된 스핀-운동량 상호작용을 통해 비대칭 반자성체에서 거대 및 터널링 자기저항(GMR/TMR) 효과를 제안한다. 이는 순자기모멘트가 0이더라도 보존되는 스핀 전류를 유도한다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 통해 Mn₅Si₃와 같은 물질에서 최대 100%의 TMR 비율을 예측하였으며, 상대성 스핀-오르빗 결합 없이도 반자성체에서 스핀트로닉스 감지 및 스핀-전달 토크 유도를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비상대성 이론 기반의 정렬된 스핀-운동량 상호작용을 사용하여 반자성체에서 비상대성 GMR 및 TMR 효과를 구축하기.
• 순자기모멘트가 0이지만 보존되는 스핀 전류를 안정적으로 실현하는 데 있어 역사적으로 지속된 과제를 해결하기.
• 이 효과들이 실험적으로 고효율로 실현될 수 있는 실제 물질을 규명하기.
• 반자성체 스핀트로닉스 장치가 비상대성 메커니즘을 사용하여 전기적 읽기(GMR/TMR)와 전기적 스위칭(STT)을 동시에 지원할 수 있음을 보여주기.

제안 방법

• 비상대성 밴드 구조 내에서 비대칭성과 밴드-의존성 정렬된 스핀-운동량 상호작용을 기반으로 원형 모델을 개발한다.
• 반자성 물질의 전자 밴드 구조, 상태 밀도, 스핀 균형도를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 사용한다.
• 에너지 및 페르미 수준에 따른 터널링 자기저항(TMR) 비율을 계산하여 최대 TMR를 얻을 수 있는 최적의 에너지 창문을 규명한다.
• TMR와 관련된 스핀 균형도 매개변수를 분석하고, 이들이 TMR와의 상관관계를 통해 메커니즘의 타당성을 검증한다.
• RuO₂와 Mn₅Si₃의 TMR 성능을 비교하여, 페르미 수준에서의 강한 스핀 분리와 상태 밀도가 높아서 Mn₅Si₃가 더 우수한 후보임을 규명한다.
• 반자성체 다층막에서 스핀-전달 토크(STT) 유도를 예측하기 위해 프레임워크를 확장하였으며, 이는 페로자성체 시스템과 유사한 효율성을 보임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대성 스핀-오르빗 결합에 의존하지 않고도 반자성체에서 거대 및 터널링 자기저항 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 비대칭성과 밴드-의존성 정렬된 스핀-운동량 상호작용은 순자기모멘트가 0인 반자성체에서 어떻게 보존되는 스핀 전류를 생성하는가?
• RQ3 어느 실제 반자성 물질이 충분한 스핀 분리와 스핀 균형도 전도성을 보이며 큰 TMR 비율을 지원할 수 있는가?
• RQ4 동일한 메커니즘이 반자성체 다층막에서 효율적인 스핀-전달 토크 유도를 가능하게 하는가?
• RQ5 이러한 메커니즘 하에서 Mn₅Si₃와 RuO₂와 같은 물질에서 TMR 효과의 정량적 크기는 얼마인가?

주요 결과

• Mn₅Si₃에서의 밴드-의존성 정렬된 스핀-운동량 상호작용은 페르미 수준 근처 특정 에너지 창문에서 최대 100%의 TMR 비율을 유도한다.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 Mn₅Si₃가 시간역전대칭 점(M₁, M₂, L₁, L₂)에서 강한 스핀 분리를 보이며, 이는 큰 TMR를 가능하게 함을 확인하였다.
• TMR 비율은 하위격자 프로젝션 상태 밀도에서 유도된 스핀 균형도 매개변수와 강하게 상관관계가 있으며, 이는 메커니즘의 타당성을 검증한다.
• RuO₂는 페르미 수준에서의 밀도가 약하고 스핀 의존성이 낮아 TMR가 낮아, Mn₅Si₃보다 열악한 조건임을 확인하였다.
• 비대칭 정렬된 스핀-운동량 상호작용은 금속성 반자성체 GMR/STT 구조에 더 적합하며, 반면 밴드-의존성 형태는 터널링 접합에 최적임을 규명하였다.
• 본 연구는 반자성체 스핀트로닉스 장치가 비상대성 스핀 전류를 사용하여 GMR/TMR 읽기와 STT 스위칭을 동시에 지원할 수 있으며, 이는 완전한 전기적 제어를 가능하게 함을 예측하였다.