[论文解读] Topological antiferromagnetic spintronics: Part of a collection of reviews on antiferromagnetic spintronics

Libor Šmejkal, Yuriy Mokrousov+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 75被引用 7

一句话总结

本综述探讨了拓扑反铁磁自旋电子学这一新兴领域，提出反铁磁（AF）序可在动量空间和实空间中稳定并调控拓扑态。通过利用时间反演和空间反演等对称性，本文展示了AF序如何实现稳健的狄拉克/外尔准粒子、拓扑超导性和马约拉纳费米子，关键成果包括自旋轨道力矩效率的提升，以及室温下拓扑存储和逻辑器件的潜力。

ABSTRACT

The recent demonstrations of electrical manipulation and detection of antiferromagnetic spins have opened up a chapter in the spintronics story. In this article, we review the emerging research field that is exploring synergies between antiferromagnetic spintronics and topological structures in real and momentum space. Active topics include proposals to realize Majorana fermions in an antiferromagnetic topological superconductors, to control topological protection of Dirac points by manipulating antiferromagnetic order parameters, and to exploit the anomalous and topological Hall effects of zero net moment antiferromagnets. We explain the basic physics concepts behind these proposals, and discuss potential applications of topological antiferromagnetic spintronics.

研究动机与目标

• 研究反铁磁序如何在动量空间（如狄拉克/外尔半金属）和实空间（如自旋螺旋）中稳定并调控拓扑态。
• 探讨拓扑保护在增强AF系统中自旋-动量锁定和自旋输运效率方面的作用。
• 识别反铁磁性与拓扑性相互作用所催生的新功能，例如电控拓扑相变。
• 评估AF拓扑材料在低功耗、高速自旋电子器件中的潜力，包括存储和逻辑应用。
• 突出理论提案中关于在AF拓扑超导体中实现马约拉纳费米子，以及通过反常霍尔效应探测拓扑效应的可能性。

提出的方法

• 基于对称性的分析与建模，研究具有时间反演和空间反演对称性的AF系统中的拓扑不变量。
• 利用群论识别AF能带结构中受保护的狄拉克点和外尔节点，特别是在CuMnAs和SrMnBi2等材料中。
• 应用有效哈密顿量描述AF拓扑绝缘体（AF TIs）中的自旋轨道耦合和拓扑表面态。
• 研究非共线和共线AF中自旋输运现象，如反常霍尔效应（AHE）和拓扑霍尔效应（THE）。
• 对AF/TI异质结构中的自旋轨道力矩（SOT）效率进行理论分析，包括近邻诱导的磁序和临界温度的提升。
• 探索在AF狄拉克半金属中通过门电压调控的拓扑相变，实现可切换的体态狄拉克电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 反铁磁序如何在动量空间中保护并稳定拓扑狄拉克和外尔准粒子？
• RQ2 非平凡磁性纹理（如自旋螺旋）在AF系统中实现拓扑自旋输运方面起什么作用？
• RQ3 AF材料中的拓扑保护是否可导致自旋-电荷转换效率提升并降低自旋电子器件中的电流阈值？
• RQ4 零净磁矩AF中的反常霍尔效应如何用于电学检测拓扑序？
• RQ5 在AF拓扑超导体中实现马约拉纳费米子的条件是什么？如何对其进行探测？

主要发现

• 反铁磁序可稳定拓扑绝缘体和狄拉克半金属，其拓扑保护源于$T_{1/2}\mathcal{T}$和$\mathcal{PT}$等对称性。
• 在CuMnAs等AF狄拉克半金属中，可通过门电压或超快SOT实现电控拓扑相变，从而实现可切换的体态狄拉克电流。
• 在非共线AF如Mn3Ge中的反常霍尔效应依赖于自旋纹理取向，可实现电控操作，具有潜在的存储应用价值。
• 与反铁磁体（如CrSb）的近邻耦合可将磁性拓扑绝缘体的临界温度从约30 K提升至90 K，实现室温运行。
• 拓扑反铁磁自旋电子学可实现新型器件概念，如低电流密度、高频运行的拓扑晶体管。
• 在非共线AF中预测了直流AHE的光学对应效应，可实现拓扑态的全光探测及光自旋电子学应用。