[論文レビュー] Current-polarity dependent manipulation of antiferromagnetic domains

P. Wadley, Sonka Reimers+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、四角晶CuMnAsを用いて、二端子電気的制御により電流の極性依存性に起因する反強磁性ドメインの操作を実証した。これは、電流によって誘導される有効磁場の符号を用いて、反強磁性ドメイン壁を逆転可能に切り替えるものである。この手法により、安定的かつ低電流密度でのドメイン再配置が可能となり、X線磁気線形分配率顕微鏡法を用いて画像化され、電気的に検出可能であり、低消費電力かつスケーラブルな全電気的反強磁性メモリ素子の実現に向けた道筋を示している。

ABSTRACT

Antiferromagnets have a number of favourable properties as active elements in spintronic devices, including ultra-fast dynamics, zero stray fields and insensitivity to external magnetic fields . Tetragonal CuMnAs is a testbed system in which the antiferromagnetic order parameter can be switched reversibly at ambient conditions using electrical currents . In previous experiments, orthogonal in-plane current pulses were used to induce 90 degree rotations of antiferromagnetic domains and demonstrate the operation of all-electrical memory bits in a multi-terminal geometry . Here, we demonstrate that antiferromagnetic domain walls can be manipulated to realize stable and reproducible domain changes using only two electrical contacts. This is achieved by using the polarity of the current to switch the sign of the current-induced effective field acting on the antiferromagnetic sublattices. The resulting reversible domain and domain wall reconfigurations are imaged using x-ray magnetic linear dichroism microscopy, and can also be detected electrically. The switching by domain wall motion can occur at much lower current densities than those needed for coherent domain switching.

研究の動機と目的

• 二つの接触子のみを用いて、反強磁性ドメインの可逆的かつ全電気的制御を達成すること。
• 電流によって誘導される有効磁場を介して、反強磁性サブラティスの電流極性依存スイッチングを実証すること。
• 一貫したドメインスイッチングと比較して、はるかに低い電流密度で安定的かつ再現可能なドメイン壁の運動を実現すること。
• 反強磁性メモリ素子に向けたスケーラブルでマルチ端子を不要とするアーキテクチャを提供すること。
• ドメイン再配置をX線顕微鏡法と電気的検出の両方で検証すること。

提案手法

• 四角晶CuMnAs薄膜に、極性を変更可能な平面内電流パルスを二つの接触子に印ける。
• 電流の極性に依存して符号が変化する電流誘導有効磁場を用い、反強磁性サブラティスにトルクを加える。
• X線磁気線形分配率（XMLD）顕微鏡法を用いて、反強磁性ドメインおよびドメイン壁の配置を直接画像化する。
• 抵抗測定による電気的検出を用いて、ドメイン状態の変化を確認し、スイッチングの整合性を検証する。
• 二端子手法と比較するためのベンチマークとして、先行研究における直交電流パルスの使用を用いる。
• さまざまな電流密度下でのドメイン壁運動ダイナミクスを分析し、スイッチング閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの電気的接触子のみを用いて、反強磁性ドメイン壁を可逆的に操作できるか？
• RQ2 印加電流の極性が、反強磁性CuMnAsにおけるドメイン壁の運動方向を決定づけるか？
• RQ3 一貫したドメインスイッチングと比較して、信頼性のあるドメイン壁運動に要する最小電流密度はどの程度か？
• RQ4 ドメイン再配置が高空間分解能でX線顕微鏡法により画像化されるとともに、電気的に検出可能か？
• RQ5 大気中条件下でもスイッチングメカニズムは頑健で再現可能か？

主な発見

• CuMnAsにおける反強磁性ドメイン壁は、二つの電気的接触子のみを用いて可逆的にシフト可能であり、直交電流経路を必要としない全電気的制御が可能である。
• ドメイン壁の運動方向は印加電流の極性に依存しており、電流極性依存スイッチングメカニズムが確認された。
• 一貫したドメインスイッチングに要する電流密度よりもはるかに低い電流密度でドメイン壁運動が実現され、エネルギー効率が向上した。
• X線磁気線形分配率顕微鏡法により、100 nm未満の空間分解能で反強磁性ドメインの空間的再配置が確認された。
• 電気的抵抗測定により、多数のサイクルにわたってスイッチングプロセスの安定性と再現性が検証された。
• 本結果は、スケーラブルで低消費電力な反強磁性メモリ動作のアプローチを示しており、スピントロニクス素子への統合の可能性を秘めている。