[논문 리뷰] Nearly perfect spin polarization of noncollinear antiferromagnets

Gautam Gurung, Elekhtiar, Mohamed외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 05.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비정렬 반자성체는 순자기모멘트가 0이지만, 운동량에 의존하는 스핀 텍스처 덕분에 그 에르미 표면의 넓은 영역에서 거의 완벽한 스핀 분극을 나타낼 수 있다는 것을 제안한다. 최초 원리 계산을 통해 저자들은 Mn₃GaN가 거의 100%의 스핀 분극 상태를 지닐 수 있음을 입증하였으며, 이는 스트라토늄 티타네이트(SrTiO₃)를 사용한 반자성체 터널 접합에서 최대 10⁴%에 이르는 놀라운 터널링 자기저항(ETMR)을 가능하게 한다. 이는 비정렬 반자성체에 숨겨진 스핀트로닉스 功能성을 드러낸다.

ABSTRACT

Ferromagnets with high spin polarization are known to be valuable for spintronics--a research field that exploits the spin degree of freedom in information technologies. Recently, antiferromagnets have emerged as promising alternative materials for spintronics due to their stability against magnetic perturbations, absence of stray fields, and ultrafast dynamics. For antiferromagnets,however, the concept of spin polarization and its relevance to the measured electrical response are elusive due to nominally zero net magnetization.Here, we define an effective momentum-dependent spin polarization and reveal an unexpected property of many noncollinear antiferromagnets to exhibit nearly 100% spin polarization in a broad area of the Fermi surface. This property leads to the emergence of an extraordinary tunneling magnetoresistance (ETMR) effect in antiferromagnetic tunnel junctions (AFMTJs). As a representative example, we predict that a noncollinear antiferromagnet Mn$_{3}$GaN exhibits nearly 100% spin-polarized states that can efficiently tunnel through low-decay-rate evanescent states of perovskite oxide SrTiO$_{3}$ resulting in ETMR as large as $10^{4}$%. Our results uncover hidden functionality of material systems with noncollinear spin textures and open new perspectives for spintronics.

연구 동기 및 목표

• 순자기모멘트가 없는 비정렬 반자성체에서 숨겨진 스핀 분극을 식별하고 특성화하기.
• 반자성체에서 스핀 분극을 정의하는 데 애매함을 해결하기 위해 효과적인 운동량에 의존하는 스핀 분극 측정법을 도입하기.
• 극도의 자기저항 효과를 달성하기 위해 반자성체 터널 접합(AFMTJs)의 잠재력을 탐색하기.
• 비정렬 스핀 텍스처와 고도의 스핀 분극 간의 연관성을 확립함으로써 새로운 스핀트로닉스 응용 가능성을 열기.

제안 방법

• 비정렬 반자성체의 전자 밴드 구조와 스핀 텍스처를 계산하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• 파동수벡터(k)에 따라 정의된 효과적인 운동량에 의존하는 스핀 분극을 도입하여 에르미 표면에서의 스핀 정렬 정도를 정량화한다.
• 터널 전류를 모델링하기 위해 랜더-부티커 형식을 사용하여 스핀 분극 성질의 전송 특성을 분석한다.
• 터널 접합의 거동를 시뮬레이션하기 위해 모델 시스템인 Mn₃GaN와 터널 장벽로 사용된 SrTiO₃를 함께 연구한다.
• 평행 및 반대 방향 스핀 구성에서의 전도도를 비교함으로써 터널링 자기저항(TMR)을 계산한다.
• SrTiO₃의 임계 상태와 Mn₃GaN의 스핀 분극 상태 간의 결합을 분석하여 전송 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정렬 반자성체는 순자기모멘트가 0임에도 불구하고 높은 스핀 분극을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 반자성체 시스템에서 스핀 분극을 의미 있게 정의하고 정량화할 수 있는가?
• RQ3 운동량에 의존하는 스핀 텍스처는 반자성체 접합에서 고도의 스핀 분극 터널링을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 반자성체 터널 접합은 전통적인 반자성체 장치보다 훨씬 높은 자기저항 값을 달성할 수 있는가?
• RQ5 어떤 재료와 인터페이스 구성이 비정렬 반자성체에서 스핀 분극 터널링과 ETMR를 최대화하는가?

주요 결과

• Mn₃GaN와 같은 비정렬 반자성체는 운동량에 의존하는 스핀 텍스처 덕분에 에르미 표면의 넓은 영역에서 거의 100%의 스핀 분극을 나타낸다.
• 효과적인 운동량에 의존하는 스핀 분극은 스핀 분극 상태가 운동량 공간에서 강건하고 공간적으로 확장되어 있음을 드러낸다.
• Mn₃GaN/SrTiO₃ 이종접합에서 거의 완벽한 스핀 분극 상태가 산열 감쇠율이 낮은 임계 상태를 통해 효율적으로 터널링된다.
• 계산된 특수 터널링 자기저항(ETMR)은 최대 10⁴%에 이르며, 일반적인 반자성체 접합에서의 TMR 값보다 크게 초월한다.
• 결과적으로 비정렬 스핀 텍스처는 순자기모멘트가 없더라도 고성능 스핀트로닉스 장치를 가능하게 한다.