Spin-dependent transport in antiferro and ferrimagnetic nanostructures
Transport dépendant du spin dans des nanostructures antiferro et ferrimagnétiques
Résumé
Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic
tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena
of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet
(AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin
nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial
AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the
framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane
component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour
is specic to the use of a tunnel barrier and signicantly diers from the out-of-plane
torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that
unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied
bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin
valves.
Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which
AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to
FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based
tunnel junctions. Electronic structure parameters such as band widths and exchange
splittings of the FI are shown to have a strong inuence on STT. In particular, the
STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like
behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI
sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across
the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT
characteristic lengths in FI metals is identied. This fundamental parameter can be
considered as an eective exchange eld in FIs, similar to the homogeneous exchange eld
in the F case.
Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally.
Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in
Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular,
room temperature critical depths are observed to be originated from dierent absorption
mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin ipping for Fe50Mn50.
En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance
tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F)
sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude
théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes
non plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus
concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions
tunnel AF cristallines, et ce, à l'aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme
de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale uniforme et de signe
alternatif de la composante perpendiculaire du STT, ce qui est similaire au comportement
de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont
cependant spéciques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les eets observ
és par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement
aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter
avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour
des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.
L'analyse eectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques
(FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité
magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du
STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les
paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte
inuence sur le STT. Plus particulièrement, la diérence entre les couplages d'échange
inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du
STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster
cet eet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous
trouvons de plus que la diérence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue
un paramètre fondamental pour la quantication des longueurs caractéristiques du STT
dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d'échange eectif, par
similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d'échange homogène.
Pour nir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT
dans des AFs polycristallins. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé
les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin
à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus pré-
cisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes
d'absorption distincts: du déphasage pour l'Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le
Fe50Mn50.