Theory of Antisymmetric Exchange in Metallic Antiferromagnetic Thin Films

Abstract

Den antisymmetriske Dzyaloshinskii-Moriya interaksjonen (DMI) er viktig for stabilisering av ikke-kollineære magnetiske faser. Ved å sammenligne uttrykket for mikromagnetisk fri energi med den feltteoretiske partisjonsfunksjonen, utleder vi en generell relasjon mellom de forskjellige DM-konstantene og spinn-spinn susceptibiliteten. Dette bruker vi så til å undersøke induksjon av DMI i en antiferromagnetisk modell i det metalliske regimet, hvor vi tar i betraktning spinn-bane kobling, s-d vekselvirkning, og brutt inversjonssymmetri.

Først undersøker vi en statisk modell, hvor vi finner at den induserte DMI-en er anisotrop og avhenger betydelig av båndstrukturen. Med forskjellige former av brutt inversjonssymmetri oppstår det også hybrid (blandet) DMI, som muliggjør stabilisering av både Bloch- og Néel-type strukturer. Resultatene viser at DM-vektorens retning og absoluttverdi kan finstemmes ved kontroll over materialparametrene. Variasjonen i DM-konstantene er spesielt sensitiv til endringer i spinn-bane koblingen og det kjemiske potensialet.

Eksperimentelt har det blitt demonstrert flere tilfeller av magnetisk switching ved hjelp av optiske pulser, og det diskuteres fortsatt hvilke mekanismer som ligger til grunn for denne prosessen. Videre undersøker vi derfor effekten av polarisert lys på det samme systemet. I regimet karakterisert av høy optisk frekvens og svake spinn-bane koblinger viser resultatene at DM-konstantene kan renormaliseres betydelig av det optiske feltet, og at denne effekten avhenger av lysets polarisering. Styrken til effekten avhenger av både materialparametre, optisk frekvens og optisk intensitet.

The antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is essential for stabilizing skyrmions and other noncollinear structures in magnetic systems. It arises through the relativistic spin-orbit interaction in systems with broken inversion symmetries. By relating the phenomenological freeenergy to the spin-spin susceptibility tensor obtained from the field-theoretic partition function, we derive a formalism for calculating the correction to the DMI.

Motivated by recent studies, we investigate the DMI induced by spin-orbit interactions and s-d exchange in metallic antiferromagnets. It was recently shown that the interfacial Rashba antiferromagnet hosts a considerable interfacial DMI. We expand on this by introducing bulk inversion symmetry through the Dresselhaus effect, and proceed analytically and numerically. In the limit of weak symmetry breaking, we find analytically that the components of the DM-vector are isotropic, and that the Rashba and Dresselhaus effects are exclusively responsible for interfacial and bulk DMI, respectively. The effects of stronger spin-orbit interactions were studied numerically, which revealed that the DMI is in fact anisotropic for in-plane equilibrium order. The sign and relative magnitudes of bulk and interfacial DMI were found to vary strongly as functions of the Rashba and Dresselhaus parameters and of the chemical potential, enabling engineered DMI by varying the material parameters. The results indicate that the magnitude and directional nature of the DMI is closely linked to the electronic structure near anticrossing points, and that the observed anisotropy is a consequence of asymmetry in the Fermi surface.

Experimentally, ultrafast switching of the magnetic order has been achieved by optical pulses in various magnetic systems. We propose that renormalization of the exchange parameters may be a driving factor contributing to intermediate stabilization during this process, and derive the renormalized components of the DM-vector in the presence of a polarized electric field. We find that off-resonant pulses in the high frequency regime can induce considerable polarization-dependent DMI in the limit of weak spin-orbit interactions.