[論文レビュー] Electrical switching of antiferromagnetic CoO | Pt across the N\'eel temperature

M. J. Grzybowski, Casper F. Schippers+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ネール転移の温度依存性を活用することで、反強磁性体CoO|Ptデバイスにおける電気的スイッチングの起源が熱的効果ではなく、ネールベクトルの磁気的再配列によるものであることを実証した。ネール温度（TN ≈ 272 K）を超える領域での横方向抵抗測定により、TN未満でのみ観測されるが、TNを超えると消失するスピンホール磁気抵抗（SMR）信号を分離し、電流密度約5×10⁷ Acm⁻²の条件下で電気的応答の磁気的起源を確認した。

ABSTRACT

One of the most important challenges in antiferromagnetic spintronics is the read-out of the N\'eel vector state. High current densities up to 10$^8$ Acm$^{-2}$ used in the electrical switching experiments cause notorious difficulty in distinguishing between magnetic and thermal origins of the electrical signals. To overcome this problem, we present a temperature dependence study of the transverse resistance changes in the switching experiment with CoO|Pt devices. We demonstrate the possibility to extract a pattern of spin Hall magnetoresistance for current pulses density of $5 imes 10^7$ Acm$^{-2}$ that is present only below the N\'eel temperature and does not follow a trend expected for thermal effects. This is the compelling evidence for the magnetic origin of the signal, which is observed using purely electrical techniques. We confirm these findings by complementary experiments in an external magnetic field. Such an approach can allow determining the optimal conditions for switching antiferromagnets and be very valuable when no imaging techniques can be applied to verify the origin of the electrical signal.

研究の動機と目的

• 反強磁性体の電気的スイッチング信号に生じる曖昧さを解消すること。これは、磁気的再配列ではなく熱的効果に起因する可能性がある。
• 反強磁性ヘテロ構造におけるスイッチング信号の磁気的起源を確認するための、完全に電気的手段による手法を確立すること。
• 特に埋め込まれた多層構造において、イメージング技術が不適切な状況での最適なスイッチング条件を同定すること。
• スピンホール磁気抵抗（SMR）パターンがネール温度以下でのみ持続することを示し、磁気的スイッチングの明確な指標を提供すること。

提案手法

• ネール温度（TN ≈ 272 K）未満および超過の温度範囲で、電流パルス密度を変化させた（最大92 MAcm⁻²）CoO|Ptヘテロ構造に対して電気的スイッチング実験を実施した。
• 各パルスシーケンス後に、低電流（0.25 mA、0.6 MAcm⁻²）を用いたロックインアンプによる横方向抵抗変化を測定した。
• 抵抗変化の温度依存性を比較することで、磁気的（SMR）および非磁気的（熱的、セーベック効果、電流駆動移動）寄与を区別した。
• 電子ビームリソグラフィーおよびイオンマシニングを用いて、MgO（001）基板上に5-nmのCoO膜と5-nmのPtキャッピング層を形成した。
• 2つの直交する[110]および[110]の容易軸に沿って電流パルスを印加し、5パルスごとに交互に切り替えることで、方向依存性を調べた。
• 外部磁場を用いた実験により、スイッチング応答の磁気的性質を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋に電気的測定を用いて、反強磁性体CoO|Ptにおける電気的スイッチング信号の磁気的起源を熱的アーティファクトと明確に区別できるか？
• RQ2 CoO|Ptにおけるスピンホール磁気抵抗（SMR）信号は、TN未満の反強磁性秩序相でのみ持続するか？
• RQ3 磁気的スイッチング信号はどの電流密度で出現し、その大きさと温度依存性は熱的効果とどのように異なるか？
• RQ4 SMRパターンは、反強磁性ヘテロ構造におけるネールベクトル再配列の信頼できる電気的シグネチャーとして利用可能か？
• RQ5 ネール温度を超える・未満での抵抗変化の挙動はどのように異なり、信号解釈にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• 高電流密度（>89 MAcm⁻²）では、非磁気的熱的効果に一致する歯型のような横方向抵抗パターンが観測され、ネール温度（T = 305 K）を超える領域でも持続した。これは非磁気的起源を示唆した。
• 中程度の電流密度（~5×10⁷ Acm⁻²）では、ネール温度未満（T < 272 K）でのみ観測される明確なSMR様の抵抗パターンが出現し、磁気的起源を確認した。
• SMR信号はパルス数の増加に伴い飽和せず、温度依存性の大きさがTNを超えると減少する傾向を示し、これは熱的効果とは整合しない。
• 加熱が継続しているにもかかわらずTNを超えると信号が消失したため、観測された抵抗変化はネールベクトルの磁気的再配列に起因するという強い証拠が得られた。
• 外部磁場を用いた補足実験により、スイッチングプロセスの磁気的性質がさらに裏付けられ、温度依存性SMRシグネチャーの信頼性が強化された。
• 本研究の結果は、特にイメージングが不適切な複雑な埋め込みヘテロ構造において、反強磁性体における磁気的スイッチングを検証するための堅牢な完全な電気的手法を確立した。