Lecture II

Antiferromagnetic‐Spintronics

Alireza QaiumzadehRadboud University (RU)

Institute for Molecules and Materials (IMM)Theory of Condensed Matter group  (TCM)

Louis Néel(1904‐2000)

AntiferromagnetismL. Néel, Ann. de physique (Paris), 17, 63 (1932).L. Néel, Ann. de physique (Paris), 5, 232 (1936) .F. Bitter, Phys.Rev., 54, 79 (1938).

FerrimagnetismL. Néel, Ann. de physique (Paris), 3 , 137 (1948) .

Nobel Lectures in Physics 

Interesting but useless!

T. Jungwirth et al. arXiv: 1509.05296

Ordered M0: good for direct manipulation by magnetic field, bad for retention with magnetic field aroundnot well compatible with semiconductors

Ferromagnets: rare

Disordered M=0: bad for directmanipulation by magnetic field, no magnetic memory   compatible with semiconductors: transitsors & photonics

Paramagnets: very frequent

Antiferromagnets: frequent

Ordered M=0: bad for direct manipulation by magnetic field, good for retention with magnetic field aroundcompatible with semiconductors: transitsors & photonics

Egap

Eexchange

EFermi

Jungwirth

I. Introduction

II. AFM-LLG equation

III. AFM Domain Wall dynamics (AFM-DWs)

OUTLINE

1. Introduction

II‐VI FM TC (K) AFM TN (K)

MnO 122

MnS 152

MnSe 173

MnTe 323

EuO 67

EuS 16

EuSe 5

EuTe 10

II‐V‐IV‐V FM TC (K) AFM TN (K)

MnSiN2 490

III‐V FM TC (K) AFM TN (K)

FeN 100

FeP 115

FeAs 77

FeSb 100‐220

GdN 72

GdP 15

GdAs 19

GdSb 27

I‐VI‐III‐VI FM TC (K) AFM TN (K)

CuFeO2 11

CuFeS2 825

CuFeSe2 70

CuFeTe2 254

I‐II‐V FM TC (K) AFM TN (K)

Ia=Li, Na,..Ib=CuII=MnV=Sb,As, P

> room T

Magnetic semiconductors: more AFMs than FMs and high-TN AFMs Jungwirth, Novák, Martí et al. PRB ’11, Cava Viewpoint, Physics  ’11, Máca, Mašek, TJ et al. JMMM ’12   

FM AFM

Shick, Wunderlich, Jungwirth, et al., PRB‘10

Spintronics with antiferromagnets

AFM IrMn

2)(~ mAMR

I I

Dirac

2. AFM-LLG equation

Hals et al. PRL. 106, 107206 (2011)

Phenomenology of Current‐Induced Dynamics in Antiferromagnets

Dynamics of AFMs obeys the second law of Newton: Inertia motion

The non‐inertial mechanism requires a continuous driving force that pulls the mass over the potential barrier. A similar scenario is realized in magnetization reversal through precessional motion in ferromagnets. In contrast, in the inertial mechanism, during the action of the driving force the coordinate of the particle is hardly changed,but the particle acquires enough momentum to overcome the barrier afterwards.

3. AFM Domain Wall dynamics

E. Tveten, A. Q., O. Tretiakov, A. Brataas, Phys. Rev. Lett. 110 , 127208 (2013).E. Tveten, A. Q., A. Brataas, Phys. Rev. Lett. 110 , 127208 (2013).

Ferromagnetic Domain Walls

Neel DW Bloch DW

FM‐STT: current induced FM-DW motion

Spin‐transfer torque in magnetic textures : spin-waves induced DW motion

Racetrack Memory (IBM)

S. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, Science 320, 190 (2008)

Staggered Dynamics in Antiferromagnets by Collective CoordinatesPhys. Rev. Lett. 110 , 127208 (2013)

Collective Coordinates Approach

Staggered Dynamics in Antiferromagnets by Collective Coordinates

Magnetic textures are often rigid, so that only a few, soft modes dominate the magnetization dynamics.

Example: Texture dynamics

Staggered Dynamics in Antiferromagnets by Collective Coordinates

Out‐of‐plane tilt angel and domain wall width are hard modes:

Anisotropic Magneto‐Resistance (AMR)

Staggered Dynamics in Antiferromagnets by Collective Coordinates

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Spin‐wave excitation:

0m

In equilibrium (Walker DW):

00 ,exp )2

,0tan( )(t)(z)(t

w

FM spin‐waves

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Dynamical variables:

Linearly polarized magnons:

Linear polarization

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Circular polarization

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Circularly polarized magnons:

Linearly polarized magnons: 0zmJ

Problem: Magnetic moment cannot constantly increase in an AFM!Result: Spin waves reflect from the domain wall

Circular polarization

Antiferromagnetic Domain Wall Motion Induced by Spin Waves

Wadley et al., arxiv1503.03765v1Wadley et al., Nat Comm. 2013

Antiferromagnetic Spin-OrbitronicsSpin‐Orbit Torques in Antiferromagnets

The antiferromagnetic order isControlled by Spin‐orbit TorquesDetected by Anisotropic Magnetoresistance

Bulk inversion asymmetry