[论文解读] Giant and tunneling magnetoresistance effects from anisotropic and valley-dependent spin-momentum interactions in antiferromagnets

Libor Šmejkal, Anna Birk Hellenes+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文通过各向异性和谷依赖的调制自旋-动量耦合，在共线反铁磁体中提出了巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）效应，尽管净磁化强度为零，仍能诱导守恒的自旋流。第一性原理计算预测，在Mn₅Si₃等材料中TMR比值可达100%，实现了无需相对论自旋-轨道耦合的自旋电子学探测与自旋转移矩激发。

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.

研究动机与目标

• 通过调制自旋-动量相互作用，在反铁磁体中建立非相对论性的GMR和TMR效应。
• 克服长期以来在无净磁化强度的反铁磁体中实现稳定、守恒自旋流的挑战。
• 识别出可在实验中高效实现这些效应的真实材料。
• 证明反铁磁自旋电子器件可同时支持电学读出（GMR/TMR）和电学开关（STT），且基于非相对论机制。

提出的方法

• 基于非相对论能带结构中的各向异性和谷依赖的调制自旋-动量相互作用，构建典型模型。
• 使用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，获得反铁磁材料的电子能带结构、态密度和自旋极化特性。
• 计算作为能量和费米能级函数的隧道磁阻（TMR）比值，识别出最大TMR的最优能量窗口。
• 分析自旋极化参数及其与TMR的相关性，以验证机制的有效性。
• 对比RuO₂与Mn₅Si₃的TMR性能，发现由于费米能级附近自旋分裂增强和态密度更高，Mn₅Si₃是更优候选材料。
• 将该框架拓展至预测反铁磁多层膜中的自旋转移矩（STT）激发，结果表明其效率可与铁磁体系相媲美。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖相对论自旋-轨道耦合的前提下，在反铁磁体中实现巨磁阻和隧道磁阻效应？
• RQ2 各向异性和谷依赖的调制自旋-动量相互作用如何在净磁化强度为零的反铁磁体中产生守恒自旋流？
• RQ3 哪些真实反铁磁材料具备足够的自旋分裂和自旋极化输运特性，以支持大的TMR比值？
• RQ4 相同的机制是否也能在反铁磁多层膜中实现高效的自旋转移矩激发？
• RQ5 在这些机制下，Mn₅Si₃和RuO₂等材料的TMR效应定量量级是多少？

主要发现

• Mn₅Si₃中谷依赖的调制自旋-动量相互作用在费米能级附近的特定能量窗口内，可实现高达100%的TMR比值。
• 第一性原理计算证实，Mn₅Si₃在时间反演不变点（M₁, M₂, L₁, L₂）处表现出强自旋分裂，从而支持大TMR。
• TMR比值与从亚晶格投影态密度导出的自旋极化参数强烈相关，验证了机制的可靠性。
• 由于费米能级附近态密度弱且自旋依赖性较弱，RuO₂的TMR较低，因此不如Mn₅Si₃理想。
• 各向异性的调制自旋-动量相互作用更适合金属型反铁磁GMR/STT结构，而谷依赖形式则在隧道结中表现最优。
• 本研究预测，反铁磁自旋电子器件可同时支持GMR/TMR读出与STT开关，且基于非相对论自旋流，实现全电控操作。