Rashba magnetic anisotropy in antiferromagnets

反強磁性体におけるラシュバ磁気異方性

家田 淳一   ; 前川 禎通

Ieda, Junichi; Maekawa, Sadamichi

反転対称性の破れた反強磁性体における磁気異方性を研究する。磁気異方性は、反強磁性秩序パラメータの方向を定める因子であり、その理解と制御は磁気デバイス開発においてあらゆる外部雑音に対する耐性を得る上で大変重要である。また、大きな磁気異方性エネルギーは、強磁性・反強磁性接合における交換バイアスを増強する上でも有利に働くことが知られている。本研究では、反強磁性体の二つの典型的な格子模型を用いてラシュバスピン軌道相互作用RSOと磁気交換相互作用の競合の結果生じる磁気異方性エネルギーを求める。一つ目の模型である大域的RSO模型では、面内磁気異方性から垂直磁気異方性への転移の存在が導かれる。また、もう一方の局所的RSO模型では、常に垂直磁気異方性が導かれる。これは、強磁性体において見いだされたRSO起源の磁気異方性が、空間次元やバンド構造に寄っていたことと対照的である。これらの振る舞いは、反強磁性秩序パラメータの電界による制御等において重要な知見を与える。

We study magnetic anisotropy in antiferromagnets (AFMs) with the inversion symmetry breaking (ISB). Magnetic anisotropy determines an energy barrier that separates preferable orientations of staggered magnetization in AFMs, and in its sense, understanding and controlling the magnetic anisotropy energy (MAE) in AFMs are fundamentally important for devising magnetic memory bits that should be reliably robust against any external (thermal, magnetic field, and electric current) noises. It has also been pointed out that a large value of MAE in AFMs is advantageous for the exchange bias field that is routinely used to fix magnetization direction at the AFM/FM interface in current magnetic memory technology. In this work, we employ two representative models for the AFMs and obtain the MAE as a consequence of the cooperation of the Rashba spin-orbit (RSO) and exchange interactions. For the global ISB model the MAE shows a transition depending on the magnitude of the RSO coupling: the easy-plane magnetic anisotropy is favored with the small RSO coupling whereas the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is induced with the large RSO coupling. For the local ISB the PMA is generally results in, which contrasts to the corresponding ferromagnetic case in which the condition for the PMA depends on the band structure and dimensionality. These features are particularly important for stabilizing the direction of the order parameter in AMF nanostructures and for electrical-field control of the MAE via the externally modulated RSO coupling.