Manipulating a stubborn magnet Spintronics is an alternative to conventional electronics, based on using the electron's spin rather than its charge. Spintronic devices, such as magnetic memory, have traditionally used ferromagnetic materials to encode the 1's and 0's of the binary code. A weakness of this approach—that strong magnetic fields can erase the encoded information—could be avoided by using antiferromagnets instead of ferromagnets. But manipulating the magnetic ordering of antiferromagnets is tricky. Now, Wadley et al. have found a way (see the Perspective by Marrows). Running currents along specific directions in the thin films of the antiferromagnetic compound CuMnAs reoriented the magnetic domains in the material. Science , this issue p. 587 ; see also p. 558

We predict that a lateral electrical current in antiferromagnets can induce nonequilibrium N\'eel-order fields, i.e., fields whose sign alternates between the spin sublattices, which can trigger ultrafast spin-axis reorientation. Based on microscopic transport theory calculations we identify staggered current-induced fields analogous to the intraband and to the intrinsic interband spin-orbit fields previously reported in ferromagnets with a broken inversion-symmetry crystal. To illustrate their rich physics and utility, we consider bulk ${\mathrm{Mn}}_{2}\mathrm{Au}$ with the two spin sublattices forming inversion partners, and a 2D square-lattice antiferromagnet with broken structural inversion symmetry modeled by a Rashba spin-orbit coupling. We propose an antiferromagnetic memory device with electrical writing and reading.

Ferromagnets are key materials for sensing and memory applications. In contrast, antiferromagnets, which represent the more common form of magnetically ordered materials, have found less practical application beyond their use for establishing reference magnetic orientations via exchange bias. This might change in the future due to the recent progress in materials research and discoveries of antiferromagnetic spintronic phenomena suitable for device applications. Experimental demonstration of the electrical switching and detection of the Néel order open a route towards memory devices based on antiferromagnets. Apart from the radiation and magnetic-field hardness, memory cells fabricated from antiferromagnets can be inherently multilevel, which could be used for neuromorphic computing. Switching speeds attainable in antiferromagnets far exceed those of ferromagnetic and semiconductor memory technologies. Here, we review the recent progress in electronic spin-transport and spin-torque phenomena in antiferromagnets that are dominantly of the relativistic quantum-mechanical origin. We discuss their utility in pure antiferromagnetic or hybrid ferromagnetic/antiferromagnetic memory devices. As part of a focus on antiferromagnetic spintronics, this Review considers the role of spin transport and spin torque in potential antiferromagnetic memory devices.

We have carried out a comprehensive study of the intrinsic anomalous Hall effect and spin Hall effect of several chiral antiferromagnetic compounds ${\mathrm{Mn}}_{3}X$ ($X$ = Ge, Sn, Ga, Ir, Rh and Pt) by ab initio band structure and Berry phase calculations. These studies reveal large and anisotropic values of both the intrinsic anomalous Hall effect and spin Hall effect. The ${\mathrm{Mn}}_{3}X$ materials exhibit a noncollinear antiferromagnetic order which, to avoid geometrical frustration, forms planes of Mn moments that are arranged in a Kagome-type lattice. With respect to these Kagome planes, we find that both the anomalous Hall conductivity (AHC) and the spin Hall conductivity (SHC) are quite anisotropic for any of these materials. Based on our calculations, we propose how to maximize AHC and SHC for different materials. The band structures and corresponding electron filling, that we show are essential to determine the AHC and SHC, are compared for these different compounds. We point out that ${\mathrm{Mn}}_{3}\mathrm{Ga}$ shows a large SHC of about 600 $(\ensuremath{\hbar}/e){(\mathrm{\ensuremath{\Omega}}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\text{cm})}^{\ensuremath{-}1}$. Our work provides insights into the realization of strong anomalous Hall effects and spin Hall effects in chiral antiferromagnetic materials.

Noncollinear antiferromagnets, such as Mn_{3}Sn and Mn_{3}Ir, were recently shown to be analogous to ferromagnets in that they have a large anomalous Hall effect. Here we show that these materials are similar to ferromagnets in another aspect: the charge current in these materials is spin polarized. In addition, we show that the same mechanism that leads to the spin-polarized current also leads to a transverse spin current, which has a distinct symmetry and origin from the conventional spin Hall effect. We illustrate the existence of the spin-polarized current and the transverse spin current by performing ab initio microscopic calculations and by analyzing the symmetry. We discuss possible applications of these novel spin currents, such as an antiferromagnetic metallic or tunneling junction.

Electrical spin-current generation is among the core phenomena driving the field of spintronics. Using {\em ab initio} calculations we show that a room-temperature metallic collinear antiferromagnet RuO$_2$ allows for highly efficient spin-current generation, arising from anisotropically-split bands with conserved up and down spins along the N\'eel vector axis. The zero net moment antiferromagnet acts as an electrical spin-splitter with a 34$^\circ$ propagation angle between spin-up and spin-down currents. Correspondingly, the spin-conductivity is a factor of three larger than the record value from a survey of 20,000 non-magnetic spin-Hall materials. We propose a versatile spin-splitter-torque concept utilizing antiferromagnetic RuO$_2$ films interfaced with a ferromagnet.

The Edelstein effect is the origin of the spin-orbit torque: a current-induced torque that is used for the electrical control of ferromagnetic and antiferromagnetic materials. This effect originates from the relativistic spin-orbit coupling, which necessitates utilizing materials with heavy elements. Here, we show that in magnetic materials with non-collinear magnetic order, the Edelstein effect and, consequently, a current-induced torque can exist even in the absence of the spin-orbit coupling. Using group symmetry analysis, model calculations, and realistic simulations on selected compounds, we identify large classes of non-collinear magnet candidates and demonstrate that the current-driven torque is of similar magnitude as the celebrated spin-orbit torque in conventional transition metal structures. We also show that this torque can exist in an insulating material, which could allow for highly efficient electrical control of magnetic order.

Recently, MnTe was established as an altermagnetic material that hosts spin-polarized electronic bands as well as anomalous transport effects like the anomalous Hall effect. In addition to these effects arising from altermagnetism, MnTe also hosts other magnetoresistance effects. Here, we study the manipulation of the magnetic order by an applied magnetic field and its impact on the electrical resistivity. In particular, we establish which components of anisotropic magnetoresistance are present when the magnetic order is rotated within the hexagonal basal plane. Our experimental results, which are in agreement with our symmetry analysis of the magnetotransport components, showcase the existence of an anisotropic magnetoresistance linked to both the relative orientation of current and magnetic order, as well as crystal and magnetic order. Altermagnetism is manifested as a three-fold component in the transverse magnetoresistance which arises due to the anomalous Hall effect.