[论文解读] Nearly perfect spin polarization of noncollinear antiferromagnets

Gautam Gurung, Elekhtiar, Mohamed+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出，尽管非共线反铁磁体具有零净磁化强度，但由于动量依赖的自旋纹理，其费米面上广阔区域仍可表现出近乎完美的自旋极化。通过第一性原理计算，作者证明Mn₃GaN支持近乎100%的自旋极化态，使其在与SrTiO₃构成的反铁磁隧道结中实现高达10⁴%的异常自旋隧道磁阻（ETMR），揭示了非共线反铁磁体中隐藏的自旋电子学功能。

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.

研究动机与目标

• 识别并表征缺乏净磁化但可能仍支持自旋电子学功能的非共线反铁磁体中的隐藏自旋极化。
• 通过引入一种有效的动量依赖自旋极化度量，解决反铁磁体中自旋极化定义的模糊性。
• 探索反铁磁隧道结（AFMTJs）实现极端磁阻效应的潜力。
• 建立非共线自旋纹理与高自旋极化之间的联系，从而实现新型自旋电子学应用。

提出的方法

• 本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得非共线反铁磁体的电子能带结构和自旋纹理。
• 定义了一种有效动量依赖的自旋极化度量，作为波矢（k）的函数，以量化费米面上的自旋取向对齐程度。
• 利用Landauer-Büttiker理论框架分析自旋极化输运特性，以模拟AFMTJ中的隧穿电流。
• 以Mn₃GaN为模型体系，与SrTiO₃作为隧穿势垒，模拟隧道结行为。
• 通过比较自旋平行与反平行配置下的电导率，计算隧穿磁阻（TMR）。
• 分析重点集中于SrTiO₃中的倏逝态及其与Mn₃GaN中自旋极化态的耦合，以评估隧穿效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 非共线反铁磁体尽管净磁化为零，是否仍可表现出高自旋极化？
• RQ2 如何在反铁磁体系中合理定义并量化自旋极化？
• RQ3 动量依赖的自旋纹理在实现反铁磁结中高自旋极化隧穿方面起到何种作用？
• RQ4 反铁磁隧道结能否实现显著超越传统铁磁器件的磁阻值？
• RQ5 哪些材料和界面构型可使非共线反铁磁体中的自旋极化隧穿及ETMR达到最大？

主要发现

• 由于动量依赖的自旋纹理，非共线反铁磁体（如Mn₃GaN）在其费米面广阔区域内表现出接近100%的自旋极化。
• 有效动量依赖的自旋极化揭示出自旋极化态在动量空间中具有强鲁棒性和空间延展性。
• 在Mn₃GaN/SrTiO₃异质结构中，近乎完美的自旋极化态可通过氧化物势垒中衰减率较低的倏逝态高效隧穿。
• 计算得到的异常自旋隧道磁阻（ETMR）高达10⁴%，显著超过典型铁磁结中的TMR值。
• 结果表明，反铁磁体中非共线自旋纹理可实现无净磁矩的高性能自旋电子学器件。