Aspects of antiferromagnetic spintronics

Abstract

La spintrónica se perfila como una de las corrientes mas atractivas y prometedoras dentro de la materia condensada gracias a la diversidad de fenómenos presentes, como el efecto Hall de spin, la magneto-resistencia gigante. En la spintrónica el estudio de materiales antiferromagnéticos es interesante pues dentro de sus propiedades se encuentran su abundancia natural y la posibilidad de disminuir las escalas temporal y espacial de los fenómenos presentes en ellos. Un ejemplo es la utilización de estos materiales en memorias magnéticas, pues gracias a la ausencia de magnetización neta en un material antiferromagnético es posible almacenar información en regiones de menor tamaño debido a la nula interacción dipolar entre dominios magnéticos. Esta tesis esté compuesta de tres trabajos teóricos orientados al desarrollo de la spintrónica antiferromagnética. En la primera parte se presenta la teoría efectiva de un sistema antiferromagnético no colineal. Para esto consideramos un sistema anisotrópico y con interacción de intercambio entre spines vecinos. A través de un parámetro de orden perteneciente al grupo de rotaciones estudiamos la dinámica de las excitaciones de baja energía del sistema obteniendo como resultado una familia de solitones topológicos que están descritos por la ecuación de sine-Gordon. Finalmente comparamos nuestros resultados con simulaciones numéricas de un sistema de momentos magnéticos obteniendo resultados completamente concordantes. La segunda parte corresponde al estudio de un cristal magnónico antiferromagnético. A partir de una teoría fenomenológica estudiamos la dinámica del campo de magnetización bajo el efecto de interacción de intercambio, y anisotropía uniaxial. A través de una modulación periódica de la anisotropía y del campo magnético caracterizamos el espectro de ondas de spín y las estructura de bandas del sistema. En la tercera y última parte se presenta el estudio de la generación de corrientes de spin mediante deformaciones de una red antiferromagnética gracias a efectos cuánticos. Este fenómeno, conocido como efecto piezospintrónico, es estudiado en dos modelos de interés: grafeno antiferromagnético y zinc-blende antiferromagnético. Este efecto, en conjunto con el efecto Hall de spín inverso pueden ser útiles para la detección de corrientes de spín puras.

Spintronics is one of the most attractive and promising areas in condensed matter due to the diversity of phenomena present in it as the spin Hall e ect and the giant magnetoresistance. In spintronics the study of antiferromagnetic materials is interesting due to their natural abundance and the possibility of decreasing the temporal and spatial scale of the phenomena in which they are involved. One example of this is the use of antiferromagnetic materials in magnetic memories, where due to the absence of net magnetization it is possible to store information in smaller regions because of the null dipolar interaction between domains. This thesis is made of three theoretical works focused in di erent aspects of antiferromagnetic spintronics. In the rst chapter we present the e ective theory of a non collinear antiferromagnet. For this we consider an anisotropic system with exchange interaction among neighbor spins. By making use of an order parameter in the rotation group we study the dynamics of low energy excitations of the system obtaining as result a family of topological solitons which are described by the sine-Gordon equation. Finally we compare our results with numerical simulations of a system of magnetic moments obtaining totally concordant results. The second chapter corresponds to the study of an antiferromagnetic magnonic crystal. From a phenomenological theory we study the dynamics of the magnetization eld under the e ect of exchange interaction and uniaxial anisotropy. Through a periodic modulation of the anisotropy and of the magnetic eld we characterize the spin wave spectra and the band structure of the system. In the third and last chapter we show the study of generation of spin currents by deformation of an antiferromagnetic lattice thanks to quantum mechanical e ects. This phenomenon, known as piezospintronic e ect, is studied in two interesting models: antiferromagnetic graphene and antiferromagnetic zinc-blende. This e ect together with the inverse spin Hall e ect could be useful for the detection of pure spin currents. v