Spin transport in insulating altermagnets: from hopping conduction to altermagnons

Abstract

Altermagnetism has recently emerged as a particular symmetry-defined magnetic phase that combines compensated magnetic order in real space with large spin polarization in reciprocal space. This thesis establishes consequences of the altermagnetic symmetry that are experimentally testable and have technologically potentially relevant transport functionalities, with an emphasis on insulating systems where magnons carry spin. A unified theoretical background is explored for spin injection, propagation, and detection in compensated magnets, combined with the symmetry constraints that govern altermagnetic spin splitting and altermagnon polarization. Experimentally, the thesis implements from device fabrication to harmonic transport protocols, synchrotron photoemission electron microscopy, and magnon spin transport. In Ti-doped hematite, angle-dependent Hall measurements reveal a symmetry controlled odd transverse response that emerges only in the spin flop phase, accompanied by crystal orientation-dependent sign inversions. XMLD and XMCD-based PEEM reconstruct the absolute Néel vector orientation and correlate real-space domain changes with changes of the transport pseudovector. In insulating orthoferrites, spin Hall magnetoresistance is established as a local electrical probe of the interfacial magnetic configuration. Non-local measurements then demonstrate altermagnetic magnon transport in d-wave orthoferrites, including direction-dependent sign inversions between the Γ–U and Γ–U′ directions, finite responses at zero magnetic field, and a non-monotonic distance dependence with sign reversal results from the competition between different exchange split magnon modes. Simulations reproduce these features and show that they vanish when the altermagnetic exchange splitting is removed, establishing a direct link between the observed transport signatures and altermagnetism. These results identify insulating orthoferrites and hematite as concrete platforms for field-free, symmetry-defined, low-power magnon spin transport and for combined transport and microscopy diagnostics of altermagnetic order.

Der Altermagnetismus hat sich in jüngster Zeit als eine symmetrie-definierte magnetische Phase herauskristallisiert, die eine kompensierte magnetische Ordnung im Realraum mit einer starken Spinpolarisation im reziproken Raum vereint. Diese Dissertation leitet Konsequenzen der altermagnetischen Symmetrie her, die experimentell überprüfbar sind und potenziell technologisch relevante Transporteigenschaften bieten, mit einem Schwerpunkt auf isolierenden Systemen, in denen Magnonen den Spin tragen. Es wird ein einheitlicher theoretischer Rahmen für Spin-Injektion, -Ausbreitung und -Detektion in kompensierten Magneten entwickelt, der mit den Symmetriebedingungen verknüpft ist, welche die altermagnetische Spinaufspaltung und die Polarisation von Altermagnonen bestimmen. Experimentell umfasst die Arbeit den gesamten Ablauf von der Bauelementfertigung über harmonische Transportmessungen und synchrotronbasierte Photoemissions-Elektronenmikroskopie bis hin zu Untersuchungen des magnonischen Spintransports. In Ti-dotiertem Hämatit zeigen winkelabhängige Hallmessungen eine symmetriebestimmte ungerade transversale Antwort, die ausschließlich in der Spin-Flop-Phase auftritt und kristallorientierungsabhängige Vorzeichenwechsel zeigt. XMLD- und XMCD-basierte PEEM rekonstruiert die absolute Orientierung des Néel-Vektors und korreliert Änderungen der realräumlichen Domänenstruktur mit Variationen des Transport-Pseudovektors. In isolierenden Orthoferriten wird die Spin-Hall-Magnetowiderstandsmessung als lokale elektrische Sonde der interfacialen magnetischen Konfiguration eingeführt. Nichtlokale Messungen zeigen anschließend altermagnetischen Magnonentransport in d-Wellen-Orthoferriten, einschließlich richtungsabhängiger Vorzeichenwechsel zwischen den Richtungen Γ–U und Γ–U′, endlicher Signale bei Nullfeld sowie einer nichtmonotonen Distanzabhängigkeit, deren Vorzeichenumkehr aus der Konkurrenz verschiedener austauschgespaltener Magnonenzweige resultiert. Simulationen reproduzieren diese Erscheinungen und zeigen, dass sie verschwinden, wenn die altermagnetische Austauschaufspaltung entfernt wird, wodurch eine direkte Verbindung zwischen den beobachteten Transportsignaturen und dem Altermagnetismus hergestellt wird. Diese Ergebnisse identifizieren isolierende Orthoferrite und Hämatit als konkrete Plattformen für feldfreien, symmetrie-definierten, energieeffizienten magnonischen Spintransport sowie für eine kombinierte Diagnostik der altermagnetischen Ordnung mittels Transportmessungen und Mikroskopie.

El altermagnetismo ha surgido recientemente como una fase magnética definida por simetría que combina un orden magnético compensado en el espacio real con una gran polarización de espín en el espacio recíproco. Esta tesis establece consecuencias de la simetría altermagnética que son comprobables experimentalmente y que poseen funcionalidades de transporte potencialmente relevantes para la tecnología, con énfasis en sistemas aislantes donde los magnones transportan el espín. Se desarrolla un marco teórico unificado para la inyección, propagación y detección de espín en imanes compensados, integrado con las restricciones de simetría que gobiernan la separación de espín altermagnética y la polarización de los altermagnones. En el plano experimental, la tesis abarca desde la fabricación de dispositivos hasta protocolos de transporte armónico, microscopía de fotoemisión de electrones con radiación de sincrotrón y mediciones de transporte de espín por magnones. En hematita dopada con Ti, las mediciones de Hall angulodependientes revelan una respuesta transversal asimétrica controlada por simetría que aparece únicamente desde la fase de spin flop, acompañada de inversiones de signo dependientes de la orientación cristalográfica. La PEEM basada en XMLD y XMCD reconstruye la orientación absoluta del vector de Néel y correlaciona cambios de dominio en el espacio real con cambios del pseudovector de transporte. En ortoferritas aislantes, la magnetorresistencia Hall de espín se establece como una sonda eléctrica local de la configuración magnética interfacial. Posteriormente, las mediciones no locales demuestran transporte magnónico altermagnético en ortoferritas de tipo onda d, incluyendo inversiones de signo dependientes de la dirección entre las direcciones Γ–U y Γ–U′, respuestas finitas a campo magnético cero y una dependencia no monótona con la distancia cuyo cambio de signo resulta de la competencia entre diferentes ramas de magnones nodegenerados. Las simulaciones reproducen estas características y muestran que desaparecen cuando se elimina la separación de intercambio altermagnética, estableciendo un vínculo directo entre las firmas de transporte observadas y el altermagnetismo. Estos resultados identifican a las ortoferritas aislantes y a la hematita como plataformas concretas para transporte de espín por magnones de bajo consumo, definido por simetría y operable sin campo externo, así como para una diagnóstica combinada de orden altermagnético mediante transporte y microscopía.