Antiferromagnetic Spinmechatronics

De fleste er kjent med at elektroner har egenskaper som ladning og masse, men de har også en tredje egenskap kalt spinn. Spinnegenskapen til elektronet ble først demonstrert i det berømte Stern-Gerlach-eksperimentet i 1922. I dette eksperimentet ble en partikkelstråle sendt gjennom et inhomogent magnetfelt, og avbøyning av partikler med motsatt spinn ble observert. Mens ladning og masse er skalare størrelser, er spinn en vektor, og hvert spinn er assosiert med et magnetisk moment. Hvert elektron har derfor et lite magnetisk moment. I ferromagneter er disse momentene polarisert i samme retning, mens i antiferromagneter er spinnene ordnet slik at nærliggende spinn peker i motsatte retninger. Spinnmekatronikk er en teknologi som utnytter elektronenes spinnegenskaper til å produsere nanoskala mekaniske enheter, for eksempel små motorer og spinn- og ladningspumper. Disse enhetene drives ved hjelp av kollektive spinneksitasjoner, også kjent som spinnbølger, i magnetiske materialer. Tidligere har fokuset innen spinnmekatronikk primært vært på å implementere ferromagnetiske elementer. Hovedmålet til dette forskningsprosjektet har vært å åpne et nytt forskningsområde som utforsker bruken av antiferromagneter i spinnmekatronikk. Antiferromagneter har særegne egenskaper som gjør dem spesielt attraktive for bruk innen denne teknologien. For eksempel, har de svært hurtig spinndynamikk og høy stabilitet med hensyn til eksterne magnetfelt. Den forventede anvendelsen av denne forskningen er å utvikle ny, ultrarask, nanoskala spinnmekatronikk med forbedret stabilitet og nye former for utgangssignaler. Dette prosjektet har utforsket følgende fire hovedproblemstillinger: 1) Likevektsegenskapene til antiferromagneter, 2) hvordan spinnbølger og spinnstrømmer kobler til antiferromagnetiske domenevegger, dvs., grenseflatene som skiller områder med ulik spinnordning, 3) hvordan antiferromagneter kan brukes til å pumpe spinnstrømmer, og 4) hvordan antiferromagneter kan benyttes til å utvikle høyfrekvensgeneratorer som opererer i terahertz (THz)-området. Det finnes to hovedgrupper av antiferromagnetiske materialer: kollineære antiferromagneter og ikke-kollineære antiferromagneter. Dette prosjektet har undersøkt likevektsegenskapene til begge disse materialklassene. I tilfelle av kollineære antiferromagneter med brutt inversjonssymmetri har prosjektet avdekket at materialet utvikler betydelig magnetisering langs kantene. Dette funnet har stor betydning for spinn-elektronikk basert på antiferromagneter, da den antiferromagnetiske spinnordningen tradisjonelt har vært svært vanskelig å kontrollere ved hjelp av eksterne kraftfelt som magnetiske felt. Magnetiseringen langs kantene gjør det derimot lettere å manipulere antiferromagneter ved bruk av elektriske pulser og magnetiske felt. Når det gjelder ikke-kollineære antiferromagneter, har vi oppdaget at brutt inversjonssymmetri deformerer domeneveggene. Dette fører til en ny koblingsmekanisme mellom spinnstrømmer og domenevegger, som kan utnyttes til å flytte domeneveggene ved hjelp av spinnstrømmer. Videre har vi utviklet et numerisk simuleringsprogram for å studere spinnsystemer med en vilkårlig symmetri. Dette programmet har blitt anvendt til å demonstrere muligheten for å flytte antiferromagnetiske domenevegger ved hjelp av spinnbølger, samt å kontrollere bevegelsesretningen til disse domeneveggene ved å variere spinnbølgefrekvensen. Dette funnet er særlig relevant for datalagringsteknologien kjent som "racetrack memory", hvor lesing av informasjon (bits) involverer bevegelse av slike domenevegger. Vår oppdagelse kan forenkle denne leseprosessen og gjelder en spesiell gruppe ikke-kollineære antiferromagnetiske materialer kjent som kagome antiferromagneter. Vi har også studert interaksjonen mellom spinnbølger og ledningselektroner i kagome antiferromagneter og påvist at spinnbølgene genererer spinnstrømmer. Dette gjør det mulig å utnytte kagome antiferromagneter som spinnstrømgeneratorer, der man kan justere polariseringsretningen til spinnstrømmene ved å justere spinnbølgefrekvensen. Konvensjonell elektronikk har utfordringer med å generere og detektere elektromagnetisk stråling med frekvenser i THz-området. Derfor har dette frekvensområdet blitt kjent som "THz-teknologigapet". I dette prosjektet har vi demonstrert at kagome antiferromagneter kan brukes som THz-frekvensgeneratorer ved å utnytte en elektrisk likestrøm til å generere en høyfrekvent vekselstrøm. Våre resultater viser at høyfrekvensgeneratorer basert på kagome antiferromagneter har en imponerende båndbredde, hvor vekselstrømmen kan justeres fra svært lave frekvenser til frekvenser langt inn i THz-området. Dette antyder at ikke-kollineære antiferromagneter, som kagome antiferromagneter, kan brukes til å utvikle unike elektriske komponenter for THz-applikasjoner som kan spille en betydelig rolle i å fylle dagens THz-teknologigap.

Terahertz (THz) teknologigapet refererer til et frekvensområde for elektromagnetisk stråling i THz-regimet hvor dagens teknologier er ineffektive til å generere og detektere stråling. Mens tradisjonell elektronikk fungerer bra for å produsere og registrere mikrobølger, og optikk vanligvis opererer i det infrarøde området, er det få enheter som kan operere i THz-området. Dette prosjektet har utviklet et helt nytt teoretisk rammeverk for å modellere den koblede dynamikken mellom antiferromagneter og spinn- og ladningsstrømmer. Hovedresultatene fra prosjektet inkluderer tre fundamentalt nye teorier som beskriver antiferromagnetisk spinn-dynamikk indusert av spinnbølger, spinnstrømmer og ladningsstrømmer. Disse teoriene har blitt anvendt for å oppdage nye spinn-mekatroniske effekter som potensielt kan spille en betydelig rolle i å fylle teknologigapet innenfor THz-teknologi. Nedenfor vil vi gi en mer detaljert gjennomgang av disse forskningsresultatene og beskrive deres potensielle virkninger og effekter. Det finnes to hovedklasser av antiferromagnetiske materialer: 1) kollineære antiferromagneter og 2) ikke-kollineære antiferromagneter. De mest sentrale resultatene i dette prosjektet har blitt oppnådd innenfor ikke-kollineære antiferromagneter. Ved å ta utgangspunkt i en mikroskopisk teori for ikke-kollineære antiferromagneter, har vi utviklet effektive teorier som beskriver hvordan den antiferromagnetiske spinnordningen kan manipuleres ved hjelp av spinnbølger, hvordan en spinnakkumulasjon kobler seg til antiferromagneter, og hvordan spinn-bane-kobling gir en vekselvirkning mellom spinnsystemet og ladningsstrømmer. Interaksjonen mellom spinnbølger og antiferromagneter kan spesielt benyttes i en teknologi som kalles «racetrack memory», der informasjon lagres i form av magnetiske domenevegger. Våre resultater viser at disse domeneveggene i ikke-kollineære antiferromagneter kan beveges i hvilken som helst retning ved hjelp av en enkelt spinnbølgekilde. Dette kan betydelig forenkle arkitekturen til racetrack memory. Videre har vi vist at koblingen mellom en spinnakkumulasjon og ikke-kollineære antiferromagneter kan benyttes til å produsere spinnbatterier som genererer THz-spinnstrømmer med vilkårlig polariseringsretning. I tillegg har vi oppdaget en alternativ kilde til elektriske THz-signaler gjennom den relativistiske spinn-bane vekselvirkningen mellom ladningsstrømmer og antiferromagneter. Denne vekselvirkningen kan, ved bestemte strømstyrker, konvertere en likestrøm til en vekselstrøm med frekvenser i THz-området. Både THz-spinnstrømmer og THz-ladningsstrømmer kan igjen konverteres til elektromagnetisk stråling. Forskningsresultatene kan derfor danne grunnlaget for ny elektronikk som kan generere elektromagnetiske bølger med frekvenser i THz-området. Slik teknologi forventes å ha stort anvendelsespotensial innen områder som medisinsk bildeteknologi og informasjons- og kommunikasjonsteknologi.

Spinmechatronics is a technology that exploits the spin property of the electron to produce nanoscale mechanical devices. Important examples of such devices include ultra-small magnetic engines and charge/spin pumps that are driven by the collective spin excitations of the magnetic material. So far, this technology has mainly concentrated on implementing ferromagnetic elements in spinmechatronic devices. The ultimate goal of the proposed research is to open a significant new area of research, which concentrates on the usage of antiferromagnets in spinmechatronics. We will refer to this new direction as antiferromagnetic spinmechatronics. The research project is developed in six work packages that cover the fundamental physics of antiferromagnets as well as the stability and functionality of actual spinmechatronic devices. The basic physics will concentrate on the equilibrium properties, theory development, and theoretical investigations of new experimental probes of antiferromagnetic spin dynamics and textures. With regard to the equilibrium properties, we will set particular focus on the possible existence of novel topological phases in noncollinear antiferromagnets. Motivated by the results and theory developed for the fundamental physical properties of antiferromagnets, we aim to explore charge and spin pumping phenomena and mechanical torques that are driven by antiferromagnetic spin precessions. The insights from these results will be used to theoretically demonstrate new ultra-fast nanoscale spinmechatronic devices with improved stability and novel forms of output signals.