[论文解读] Crystal facet orientated Altermagnets for detecting ferromagnetic and antiferromagnetic states by giant tunneling magnetoresistance effect

Boyuan Chi, Leina Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Magnetic properties of thin filmsPhysics and Astronomy参考文献 38被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于RuO2/TiO2/CrO2异质结构的反磁性隧道结（ATMTJ），其中晶体晶面取向使得当电流沿[110]方向流动时，产生高达6100%的巨量隧道磁阻（TMR），这是由于RuO2能带结构中动量分辨的自旋分裂所致。该ATMTJ可作为鲁棒的、抗磁场干扰的磁传感器，通过TMR对比实现对Néel矢量态的探测，为具有反磁性电极的高TMR自旋电子器件提供了可行路径。

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.

研究动机与目标

• 设计一种新型磁性隧道结，利用反磁性材料实现巨量TMR比值。
• 通过反磁性材料中自旋极化输运的特性，克服在反磁性材料中探测Néel矢量态的挑战。
• 证明当电流沿特定晶体学方向流动时，反磁性电极可作为有效的自旋极化势垒，其行为类似于铁磁体。
• 通过使用铁磁参考层，同时保留反磁性电极的鲁棒性，为全反磁性MTJ提供一种实用的、抗磁场干扰的替代方案。
• 建立基于可调运输方向依赖TMR的反磁性材料的高TMR自旋电子器件的设计原则。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟RuO2的电子能带结构和费米面，识别高对称线上的自旋分裂。
• 计算沿[001]和[110]晶体学方向的RuO2(110)/TiO2/CrO2异质结构的隧道磁阻（TMR），以评估输运各向异性。
• 分析自旋分辨的导电通道，将TMR行为与自旋向上和自旋向下的费米面片的形状和对称性相关联。
• 研究RuO2的磁空间群，确认TPτ和Uτ对称性的破缺，从而在动量空间中实现非相对论性自旋分裂。
• 通过类似的能带结构和导电通道分析，评估该设计在其他反磁性材料（如CrSb）中的可行性。
• 还计算了潜在的全反磁性RuO2/TiO2/RuO2结的理论TMR，结果为685.1% TMR。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有动量分辨自旋分裂的反磁性材料能否在作为电极的隧道结中产生巨量TMR？
• RQ2 反磁性电极的晶体学取向如何影响磁性隧道结中的TMR比值？
• RQ3 能否通过异质结（反磁性/绝缘体/铁磁体）中的TMR读出反磁性电极的Néel矢量态？
• RQ4 自旋极化费米面拓扑结构在实现反磁性材料中方向依赖TMR方面起什么作用？
• RQ5 反磁性隧道结在TMR大小和对外部磁场的鲁棒性方面，能否优于传统的反磁性或铁磁性隧道结？

主要发现

• 当电流沿[001]方向流动时，ATMTJ的TMR比值接近于零，这是由于自旋导电通道对称所致。
• 当电流沿[110]方向流动时，TMR比值达到6100%，这是由RuO2(110)中自旋向上和自旋向下的导电通道不对称性驱动的。
• 巨量TMR效应源于RuO2中的动量空间自旋分裂，该分裂产生一个自旋极化的费米面，使其在特定输运方向上表现出类似铁磁体的行为。
• 反磁性RuO2电极可通过TMR对比实现对Néel矢量态的探测，从而为反磁性序提供一种读出机制。
• 该设计对外部磁场具有鲁棒性，因为反磁性参考层本身具有内在的抗磁场特性，使其适用于磁传感器应用。
• 该方法具有普适性：另一种具有高Néel温度的反磁性材料CrSb，当电流沿[10̄11]方向流动时，同样支持巨量TMR，证实了该方法的广泛适用性。