反強磁性体におけるラシュバ効果による磁気異方性

Magnetic anisotropy due to the Rashba effect in antiferromagnets

家田 淳一   ; 前川 禎通

Ieda, Junichi; Maekawa, Sadamichi

近年、反強磁性体を舞台としたスピントロニクス現象に注目が集まっている。2014年、我々は強磁性体薄膜においてラシュバスピン軌道相互作用が磁気交換相互作用との競合により磁気異方性を生み出すメカニズムを提出した。今回その理論を、ラシュバスピン軌道相互作用を伴う反強磁性体に拡張する。具体的には、2つの副格子に反強磁性的秩序を持つ格子上の最近接間を飛び移る伝導電子スピンが、オンサイトの交換相互作用と、(a)最近接間、または(b)次近接間にそれぞれ同符号と異符号のラシュバ相互作用を感じる2種類の格子模型を対象とする。これらはそれぞれ、反強磁性薄膜と他物質の界面に生じるラシュバ効果、およびCuMnAsなどに代表される反転対称性が局所的に破れた反強磁性体におけるラシュバ効果の模型となっている。各模型に対して、全エネルギーの反強磁性秩序変数の角度依存性を求め、一軸磁気異方性定数の表式を導出する。(a)の模型では、ラシュバ相互作用の増大に伴い、容易面的な異方性から垂直磁気異方性に転移が生じることが示される。一方、(b)の模型では、ラシュバ相互作用は交換相互作用との競合の結果、常に垂直磁気異方性に対して有利に作用することが示される。

Recently spintronics phenomenon based on antiferromagnets has drawn much attention. In 2014, we proposed a mechanism that the Rashba spin-orbital interaction produces magnetic anisotropy due to competition with magnetic exchange interaction in a ferromagnetic thin film. This time the theory is extended to antiferromagnet with the Rashba spin-orbital interaction. Conduction electron spin that hops between the nearest neighbor sites on a lattice with antiferromagnetic order in two sublattice is considered. Two kinds of lattice models which feel an on-site exchange interaction and the Rashba interaction of (a) the same sign for the nearest neighbor hopping, or (b) the different sign for the next nearest neighbor hopping are investigated. Former is a model of the Rashba effect occurring at the interface between the antiferromagnetic thin film and another substance and the latter is for the Rashba effect in the antiferromagnet in which the inversion symmetry locally broken, such as CuMnAs. For each model, the angle dependence of the total energy on the antiferromagnetic order-parameter direction is obtained and the expression of the uniaxial magnetic anisotropy constant is derived. In model (a), it is shown that transition from easy plane anisotropy to perpendicular magnetic anisotropy occurs with increasing Rashba interaction. On the other hand, in model (b), it is shown that Rashba interaction always favors the perpendicular magnetic anisotropy as a result of competition with exchange interaction.