[論文レビュー] Hysteretic effects and magnetotransport of electrically switched CuMnAs

Jan Zubáč, Ka\v{s}par, Zden\v{e}k+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 28被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、高磁場下における反強磁性CuMnAsにおける電気的スイッチングによる高抵抗状態を調査し、最大60 Tの極端な磁場に対しても耐性を示す強力なヒステリシス磁気抵抗（MR）効果を明らかにした。クエンチスイッチング機構によりナノスケールの磁性テクスチャが形成され、室温で最大20%の非崩壊的抵抗変化が安定化される。MRのヒステリシスおよび磁場依存性の異方性は、従来のスピン軌道トルク再配向とは異なる、強固でスイッチ可能な反強磁性テクスチャを示している。

ABSTRACT

Antiferromagnetic spintronics allows us to explore storing and processing information in magnetic crystals with vanishing magnetization. In this manuscript, we investigate magnetoresistance effects in antiferromagnetic CuMnAs upon switching into high-resistive states using electrical pulses. By employing magnetic field sweeps up to 14 T and magnetic field pulses up to $\sim$ 60 T, we reveal hysteretic phenomena and changes in the magnetoresistance, as well as the resilience of the switching signal in CuMnAs to the high magnetic field. These properties of the switched state are discussed in the context of recent studies of antiferromagnetic textures in CuMnAs.

研究の動機と目的

• 電気的スイッチングによる反強磁性CuMnAsの高抵抗状態の磁気輸送特性を調査すること。
• 最大60 Tの極端な磁場下におけるスイッチド状態の耐性を調べること。
• ヒステリシス磁気抵抗（MR）挙動とそのスイッチング信号の大きさ依存性を特徴付けること。
• 観察されたMRヒステリシスおよび異方性を、ナノフラグメンテーションに起因する磁性テクスチャの進化と関連付けること。

提案手法

• 200 Kおよび300 Kで一方向電気パルスを印加し、50 nmのCuMnAsエpi層に高抵抗状態を誘発した。
• PPMSを用いて、14 Tまでの面内磁気輸送測定をロックイン技術および角度回転機能を併用して実施した。
• ドレスデン高磁場ラボラトリで、最大約60 Tのパルス磁場を適用し、磁場耐性および動的MR応答を評価した。
• 高時間分解能で抵抗の時間発展を記録するために、ロックイン技術を用いた。
• A cos(2ψ) + B sin(2ψ)関数へのフィッティングにより、MRヒステリシスおよび角度依存性を解析し、異方性振幅を抽出した。
• スイッチングに起因する抵抗変化とMRヒステリシス、磁場勾配の変化を関連付けることで、テクスチャの安定性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大60 Tの高磁場下において、電気的スイッチングCuMnAsの磁気抵抗はどのように変化するか？
• RQ2 クエンチド高抵抗状態におけるヒステリシス磁気抵抗の性質および大きさは、リラックス状態と比べてどう異なるか？
• RQ3 スイッチド状態において、電流と磁場の相対的配置がMRの異方性にどのように影響するか？
• RQ4 スイッチング信号の大きさは、観察されたMRヒステリシスおよび高磁場勾配の大きさとどの程度相関するか？
• RQ5 MR応答から、電気的誘起高抵抗状態の安定性および磁性テクスチャの性質はどのように明らかになるか？

主な発見

• クエンチド高抵抗状態は、強いヒステリシス磁気抵抗を示し、ヒステリシスの大きさがスイッチング信号の大きさに比例し、室温で最大20%に達する。
• スイッチド状態の磁気抵抗は顕著な磁場依存性異方性を示し、微分抵抗振幅（A cos(2ψ)）は磁場強度およびスイッチング信号の大きさに応じて増加する。
• 差分MRカーブ（スイッチド状態－リラックス状態）の高磁場勾配は、スイッチング信号の大きさに比例し、20%のスイッチング信号で約0.35 Ω/Tに達する。
• スイッチド状態は最大約60 Tのパルス磁場下でも安定しており、抵抗信号の著しい劣化は観察されず、極端な磁場に対して高い耐性を示す。
• 観察されたヒステリシスMRおよび異方性は、鋭い180°ドメインバウンダリーを含むナノフラグメンテーション磁性テクスチャと整合しており、DPC-STEMおよびイメージング研究で裏付けられた。
• MRヒステリシスおよび磁場依存性は、従来の異方的磁気抵抗（AMR）とは異なるものであり、スピン軌道トルク再配向とは無関係に、特異なクエンチスイッチング機構に起因するとされる。