Simulations of magnetic structure and magnetic dynamics in CuMnAs family of antiferromagnetic compounds

Abstract

Antiferromagnets such as CuMnAs and Mn2As are promising for spintronics due to fast dynamics, zero stray fields, and current-induced switching. These compounds, part of the Cu2Sb-type family, exhibit complex magnetic behavior and long-lived metastable states, but their microscopic mechanisms remain unclear. This thesis uses density func- tional theory implemented in the OpenMX code to study magnetic structure and lattice optimization of the Cu2Sb-type family of materials. We developed a novel AiiDA plu- gin for OpenMX, enabling automated, high-throughput simulations. Various methods of crystal structure optimization were tested. Spin-polarized optimizations match experi- ment significantly better than non-magnetic ones. Ground states of different magnetic structure calculations in Mn2As and Cr2As agree with experiments. As a result, we have developed a workflow capable of performing cell optimization and evaluating multiple magnetic configurations, which will be used for a high-throughput study of the Cu2Sb- type material family.

Antiferomagnetické materiály, jako jsou CuMnAs a Mn2As, představují slibné kan- didáty pro spintroniku díky své rychlé dynamice, nulovým vnějším magnetickým polím a přepínání elektrickým proudem. Tyto sloučeniny, patřící do strukturální rodiny typu Cu2Sb, vykazují složité magnetické chování a dlouhodobě přetrvávající metastabilní stavy, jejichž mikroskopické mechanismy však dosud nejsou zcela objasněny. Tato práce využívá teorii funkcionálu hustoty (DFT) ve výpočetním balíku OpenMX ke studiu magnetické struktury a optimalizace mřížky materiálů typu Cu2Sb. Byl vyvinut nový plugin pro výpočetní rámec AiiDA umožňující automatizované výpočty ve vysokém objemu. Byly otestovány různé metody optimalizace krystalové struktury. Ukázalo se, že spinově po- larizované optimalizace vykazují výrazně lepší shodu s experimentálními daty než op- timalizace bez zahrnutí magnetismu. Vypočtené základní stavy různých magnetických struktur ve sloučeninách Mn2As a Cr2As odpovídají experimentálním výsledkům. Vý- sledkem je vytvoření pracovního postupu schopného provádět optimalizaci elementární buňky a výpočty magnetické konfigurace, který bude dále využit pro výpočetně náročnou studii rodiny materiálů typu Cu2Sb.