Antiferromagnetic Insulator Spintronics

Abstract

Summary: Spin currents can make your computer energy efficient and ultrafast

Have you noticed that your laptop sometimes can get quite warm? Electronical devices rely on transfer of information via a charge current of electrons, which generates heat when the electrons collide. This is unwanted in many applications, such as computers, as it causes energy loss to heat and can cause the computer to break down from overheating.

In addition to having an electric charge, the electron also has a spin. The electron spin is the fundamental building block of magnetic materials and is itself a tiny magnet. In magnetic materials the electron spins communicate with each other and will follow an ordering. In fridge magnets the electrons tend to spin in the same direction, making the total magnetic field large enough to affect the magnet’s surroundings.

In magnetic materials that are also electrically insulating, the electrons are not free to move around, but the electrons can still communicate with their neighbors via their spin and magnetic interactions.

We can picture magnetic insulators as a long chain of magnets that are fixed in place, but the magnets are free to rotate, much like a compass needle. If we start rotating one electron spin, the neighboring electron spins will react to this and also rotate. This will then propagate as a wave through the electron spins. This can be used to transfer information without generating heat.

In my doctoral work I have studied antiferromagnetic insulating materials. In these materials the electrons like to spin the opposite way of its neighbors. Antiferromagnetic materials are of great interest, as they operate up to a thousand times faster than current computer processor speeds and are very insensitive to magnetic noise.

I have studied how one can generate and detect spin currents in antiferromagnetic materials, and how these materials can be utilized to create exotic physics.

Sammendrag: Spinnstrømmer kan gjøre datamaskinen din energieffektiv og mye raskere

Har du noen gang merket at den bærbare datamaskinen din kan bli veldig varm? Elektronisk utstyr baserer seg på overføring av informasjon via en ladningsstrøm av elektroner, noe som genererer varme når elektronene kolliderer. Dette er uønsket i mange applikasjoner, som datamaskiner, ettersom det fører til energitap til varmeutvikling og kan føre til at datamaskinen bryter sammen pga. overoppheting.

I tillegg til å ha en elektrisk ladning har elektronet også et spinn. Elektronspinnet er den fundamentale byggesteinen til magnetiske materialer, og er i seg selv en liten magnet. I magnetiske materialer kommuniserer elektronspinnene med hverandre og følger en spesifikk type ordning. For eksempel, i kjøleskapsmagneter foretrekker elektronene å spinne i samme retning, noe som skaper et netto magnetisk felt som er stort nok til å påvirke omgivelsene til magneten.

I magnetiske materialer som også er elektrisk isolerende er ikke elektronene lenger fri til å bevege seg rundt, men elektronene kan fortsatt kommunisere med naboene sine via deres spinn og magnetiske vekselvirkninger.

Vi kan se for oss magnetiske isolatorer som ei lang rekke av magneter som er låst på plass, men er fri til å rotere, mye som ei kompassnål. Dersom vi begynner å rotere på ett elektronspinn vil naboelektronspinnene reagere på dette og også begynne å rotere. Dette vil da bevege seg som ei bølge gjennom elektronspinnene, og kan brukes til å overføre informasjon uten varmeutvikling.

I mitt doktorarbeid har jeg studert antiferromagnetiske isolerende materialer. I disse materialene foretrekker elektronene å spinne motsatt vei av sine naboer. Antiferromagnetiske materialer er veldig interessante, ettersom de opererer opptil tusen ganger raskere enn det datamaskinprosessorer gjør i dag, og de er også ufølsom til magnetisk støy.

Jeg har studert hvordan man kan generere og detektere spinnstrømmer i antiferromagnetiske materialer, og hvordan disse materialene kan bli brukt til å skape eksotisk fysikk.