Topological band theory of relativistic spintronics in antiferromagnets

Abstract

Nanoelektronika a spintronika se zabývají zápisem, přenosem a čtením informací uložených v elektronickém nábojovém a spinovém stupni volnosti v nanostrukturách. Několik posledních let ukázalo, že dva spintronické jevy objevené v 19. století, a to anizotropní magnetorezistence a anomální Hallův efekt, lze použít i pro snímání antiferromagnetismu, což otevřelo pole antiferromagnetické spintroniky. Více než století kontroverzních studií těchto jevů prokázalo jejich relativistický spin-orbitální a spinově-polarizační původ. Stále však chybí úplné porozumění těmto efektům a plně prediktivní teorie schopná identifikovat nové vhodné antiferomagnetické materiály. Zde jsme rozšířením moderních konceptů symetrie a topologie ve fyzice kondenzovaných látek dále rozvinuli teorii anizotropní magnetorezistence a spontánního Hallova efektu. Náš přístup je založen na analýze magnetické symetrie a topologie antiferomagnetických energetických pásů, Blochových spektrálních funkcí a Berryho křivosti vypočtené z nejmodernější prvotních principů. To nás vedlo k predikci dvou nových, dříve neočekávaných efektů: relativistický přechod kov-izolátor z antiferomagnetických Dirakových fermionů a krystalový Hallův efekt z kolineárního antiferomagnetismu. Projevy obou jevů již byly pozorovány ve spolupráci s experimentálnímy kolegy v...

Nanoelectronics and spintronics are concerned with writing, transporting, and reading information stored in electronic charge and spin degrees of freedom at the nanoscale. Past few years have shown that two spintronics effects discovered in the 19th century, namely anisotropic magnetoresistance and anomalous Hall effect, can be used also for sensing antiferromagnetism which opened the field of antiferromagnetic spintronics. The more than a century of controversial studies of these effects have shown their relativistic spin-orbit coupling and spin-polarisation symmetry breaking origin. However, a complete understanding of these effects and a fully predictive theory capable of identifying novel suitable antiferromagnetic materials are still lacking. Here, by extending modern symmetry and topology concepts in condensed matter physics, we have further developed the theory of anisotropic magnetoresistance and spontaneous Hall effect. Our approach is based on magnetic symmetry and topology analysis of antiferromagnetic energy bands, Bloch spectral functions, and Berry curvatures calculated from the state-of-the- art first-principle theory. This guided us to the prediction of two novel, previously unanticipated effects: relativistic metal-insulator transition from antiferromagnetic Dirac fermions, and crystal Hall...