[論文レビュー] Electrically Accessible Metamagnetic Transition via a Doping-Induced Low-Energy Magnetic State in Antiferromagnetic Insulator RFeO3

Wanting Yang, Haohuan Peng+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2026

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ひとこと要約

本論文は、ドープされた反強磁性絶縁体 Ho0.5Dy0.5FeO3 において、低エネルギーの中間磁状態を安定化させることで低磁場でのスイッチングを可能にし、スピンホール磁気抵抗が転移を示す電気的にアクセス可能なメタ磁気転移を提示する。

ABSTRACT

Low-energy antiferromagnetic phase transitions offer an appealing platform for low-power spintronic functionalities, yet their direct electrical access in insulating antiferromagnets remains challenging, particularly in the low-field regime where subtle Neeel vector reorientations dominate. Here, we demonstrate that targeted rare-earth-site engineering enables an electrically accessible metamagnetic transition in the insulating orthoferrite Ho0.5Dy0.5FeO3. By combining the distinct spin-reorientation sequences of DyFeO3 and HoFeO3, Dy substitution stabilizes a dual spin-reorientation pathway, hosting an intermediate state with a reduced energy barrier. This low-energy antiferromagnetic state can be tuned into the weak-ferromagnetic state under low magnetic fields. The critical field decreases with increasing temperature, providing a favorable window for functional manipulation. Both longitudinal and transverse spin Hall magnetoresistance channels exhibit clear and reproducible signatures of the metamagnetic transitions. Owing to the enhanced sensitivity of the transverse channel, additional low-field features are resolved, reflecting the projection of the Neel vector onto the spin-accumulation direction. Electrical transport measurements correlate directly with the magnetically determined phase boundaries, establishing a purely electrical access to low-energy phase transitions and to illustrate a viable pathway for exploring low-power spin dynamics in insulating oxide antiferromagnets.

研究の動機と目的

• 絶縁性反強磁性体における低エネルギー磁的転移へアクセスして低消費電力のスピントロニクス制御を可能にする動機付け。
• RFeO3 における希土類元素サイトの設計（Dy/Ho混成）がスピン再配向経路をどのように修飾するかを調査する。
• エネルギー障壁を低減させるドーピング誘起の中間反強磁性状態を実証し、メタ磁転換を可能にする。
• 電気的輸送信号を磁気的に定義された相境界と相関させ、磁気転移への電気的アクセスを確立する。

提案手法

• 標的とする希土サイト組成を持つ Ho0.5Dy0.5FeO3 を合成する。
• DyFeO3 および HoFeO3 におけるスピン再配向系列を特徴づけ、二重経路挙動を同定する。
• 遷移を駆動するために低磁場を適用し、縦方向および横方向のスピンホール磁気抵抗で変化をモニタリングする。
• 中間の低エネルギー状態がメタ磁気転換のエネルギー障壁をどのように低下させるかを解析する。
• 電気輸送測定を磁気的に決定された相境界と相関させ、磁気状態の電気制御を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁性反強磁性体において、希土類元素サイト設計は電気的にアクセス可能なメタ磁気転換を可能にするか。
• RQ2 Dy/Ho のドーピングは switching に必要な磁場を低減する低エネルギー中間状態を生み出すか。
• RQ3 縦方向および横方向のスピンホール磁気抵抗チャネルはメタ磁気転換とネールベクトルの配向をどのように反映するか。
• RQ4 ドーピングされた RFeO3 において電気輸送信号は磁気相境界を信頼性高く追跴できるか。

主な発見

• Dy置換によって安定化する二重のスピン再配向経路が低エネルギー中間状態を生み出す。
• 中間状態は低磁場下で弱磁性状態へと調整可能である。
• 転移の臨界磁場は温度上昇とともに低下する。
• 縦方向および横方向のスピンホール磁気抵抗チャネルはメタ磁気転換の明確な署名を示す。
• 横方向チャネルはスピン蓄積方向へのネールベクトル射影による追加の低磁場特徴を示す。
• 電気輸送は磁気的に決定された相境界と相関し、低エネルギー転移への純粋な電気的アクセスを示す。