Ροπή μεταφοράς σπιν σε μαγνητικές διεπαφές σηραγγας

Abstract

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται θεωρητική μελέτη του φαινομένου της ροπής μεταφοράς σπιν και της μαγνητοαντίστασης σε μονές και διπλές μαγνητικές διεπαφές σήραγγας. Γίνεται χρήση μοντέλου ισχυρά δέσμιων ηλεκτρονίων με σπιν και του φορμαλισμού των συναρτήσεων Green για συστήματα εκτός ισορροπίας. Παρέχεται μια πλήρης ανάλυση της επίδρασης της πληρότητας ζώνης και της ενέργειας διαχωρισμού των σιδηρομαγνητικών ηλεκτροδίων, στην εξάρτηση των συνιστωσών της ροπής σπιν από την τάση. Η διεύθυνση της κάθετης συνιστώσας της ροπής σπιν T είναι ορθογώνια στο επίπεδο που σχηματίζουν οι μαγνητίσεις των σιδηρομαγνητικών ηλεκτροδίων της μαγνητικής διεπαφής, ενώ η διεύθυνση της παράλληλης συνιστώσας T|| είναι μέσα στο επίπεδο αυτό. Και οι δύο συνιστώσες της ροπής σπιν αλλά και η μαγνητοαντίσταση επιδεικνύουν μια μεγάλη και ενδιαφέρουσα συμπεριφορά σαν συνάρτηση της τάσης, ανάλογα με τις παραμέτρους του θεωρητικού μοντέλου. Σε μονές μαγνητικές διεπαφές σήραγγας δείχνουμε ότι T|| (V) ικανοποιεί μια αναλυτική σχέση που περιλαμβάνει την διαφορά των ρευμάτων πλειονότητας και μειονότητας ανάμεσα στη παράλληλη και αντιπαράλληλη διευθέτηση των μαγνητίσεων των ηλεκτροδίων, η οποία εν γένει είναι ανεξάρτητη του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό τους. Προτείνουμε ότι η εξάρτηση της παράλληλης συνιστώσας T|| από την τάση μπορεί να έχει πλούσια, μη μονοτονική, συμπεριφορά σαν συνάρτηση της τάσης, ανάλογα με την ενέργεια διαχωρισμού. Δείχνουμε ότι μπορεί να αλλάζει πρόσημο χωρίς να αλλάζει πρόσημο και η φορά του ρεύματος. Ο μηχανισμός που καθορίζει την εξάρτησή της, από την τάση βρίσκετε στην εξάρτηση της διαφοράς των ρευμάτων πλειονότητας και μειονότητας για την παράλληλη και αντιπαράλληλη κατάσταση. Στην παράλληλη κατάσταση των μαγνητίσεων της διεπαφής η διαφορά των ρευμάτων έχει γραμμική εξάρτηση από την τάση αφού τα ηλεκτρόνια διέρχονται από συμμετρικά δυναμικά ενώ στην αντιπαράλληλη κατάσταση η διαφορά των ρευμάτων έχει τετραγωνική εξάρτηση από την τάση αφού το δυναμικό είναι αντισυμμετρικό. Τέλος δείχνουμε ότι η ενέργεια διαχωρισμού και η πληρότητα της ζώνης έχουν μεγάλη επίδραση στην εξάρτηση της μαγνητοαντίστασης από την τάση. Σε διπλές μαγνητικές διεπαφές σήραγγας προβλέπουμε ότι τόσο η παράλληλη Ti,|| όσο και η κάθετη Ti, συνιστώσα της τοπικής ροπής σπιν μπορεί να ενισχυθεί δραματικά. Η ενίσχυση της ανάμιξης σπιν οφείλεται στην ενεργειακή προσέγγιση των κβαντικών καταστάσεων πηγαδιού διαφορετικού σπιν και τάξης μέσα στο παράθυρο δυναμικού. Η Ti,|| παρουσιάζει μια βηματική αύξηση ή μείωση σαν συνάρτηση της τάσης όταν η ενέργεια μιας σπιν κβαντικής κατάστασης πηγαδιού εισέρχεται στο παράθυρο τάσης ή εξέρχεται από την ζώνη αγωγιμότητας αντίστοιχα ενώ η Ti, αλλάζει πρόσημο. Η παράλληλη συνιστώσα της ολικής ροπής T εμφανίζει μια πλούσια γωνιακή εξάρτηση λόγω της αλληλοεπίδρασης της διγραμμικής και διτετράγωνης συνιστώσας της.

We present a theoretical study of the spin transfer torque vector and the tunneling magnetoresistance (TMR) for symmetric magnetic tunnel junctions (MTJ) using the single-band tight-binding model and the non-equilibrium Green's functions formalism. We provide a comprehensive analysis of the effect of band filling and exchange splitting of the FM leads on the bias behavior of the spin-transfer component, T||, in the plane containing the magnetizations of the two magnetic layers, and the field-like component, T, perpendicular to this plane. We demonstrate that both components of the spin torque and the TMR can exhibit a wide range of interesting and unusual bias behavior. We show that T|| (V) satisfies an expression involving the difference in spin currents between the ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AF) configurations, which is general and independent of the details of the electronic structure. We predict an anomalous bias dependence of the spin transfer torque parallel to interface, T||, in magnetic tunnel junctions (MTJ), which can be selectively tuned by the exchange splitting. It may exhibit a sign reversal without a corresponding sign reversal of the bias or even a quadratic bias dependence. We demonstrate that the underlying mechanism is the interplay of spin currents for the ferromagnetic (antiferromagnetic) configurations, which vary linearly (quadratically) with bias, respectively, due to the symmetric (asymmetric) nature of the barrier. The spin transfer torque perpendicular to interface exhibits a quadratic bias dependence. Finally, we show that the exchange splitting and band filling have a large effect on the bias dependence of the TMR. In double-barrier magnetic tunnel junctions, we predict that the spin-transfer, Ti,||, and field-like, Ti,, components of the local spin torque are dramatically enhanced . The spin-mixing enhancement is due to the energetic proximity of majority and minority quantum well states (QWS) of different quantum numbers within the bias window. Ti,|| exhibits a switch-on and switch-off step-like bias behavior when spin polarized QWS enter the bias window or exit the energy band, while Ti, , changes sign between switch-on biases. The net T exhibits an anomalous angular behavior due to the bias interplay of the bilinear and biquadratic effective exchange couplings.