[論文レビュー] Key role of thermal activation in the electrical switching of antiferromagnetic Mn2Au

Markus Meinert, Dominik Graulich+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ジュール加熱を介した熱的活性化がスイッチングダイナミクスを支配するエpitaxial Mn2Au薄膜におけるネール秩序の電気的制御スイッチングを示した。ネール状態は室温で安定しており、超高速で頑丈な反強磁性メモリデバイスへの応用が可能である。

ABSTRACT

Electrical manipulation of antiferromagnets with specific symmetries offers the prospect of creating novel, antiferromagnetic spintronic devices. Such devices aim to make use of the insensitivity to external magnetic fields and the ultrafast dynamics at the picosecond timescale intrinsic to antiferromagnets. The possibility to electrically switch antiferromagnets was first predicted for Mn2Au and then experimentally observed in tetragonal CuMnAs. Here, we report on the electrical switching and detection of the Neel order in epitaxial films of Mn2Au. The exponential dependences of the switching amplitude on the current density and the temperature are explained by a macroscopic thermal activation model taking into account the effect of the Joule heating in Hall cross devices and we observe that the thermal activation plays a key role in the reorientation process of the Neel order. Our model analysis shows that the electrically set Neel-state is long-term stable at room temperature, paving the way for practical applications in memory devices.

研究の動機と目的

• エpitaxial Mn2Au薄膜におけるネール秩序の電気的スイッチングを実証すること。
• 反強磁性Mn2Auにおける電気的スイッチングプロセスにおける熱的活性化の役割を調査すること。
• 実用的デバイス応用を想定した室温での電気的に設定されたネール状態の長期的安定性を確立すること。

提案手法

• 高い構造的品質と明確な反強磁性秩序を確保するため、エpitaxial Mn2Au薄膜を調製した。
• ホールクロスデバイスを用いて電流を印加し、横方向ホール電圧を測定することでネール秩序を検出した。
• スイッチング特性は、電流密度および温度に依存するスイッチング振幅の指数関数的依存を測定することで分析した。
• 観察された電流および温度依存のスイッチングダイナミクスを説明するために、マクロな熱的活性化モデルを適用した。
• ホールクロス構造におけるジュール加熱効果をモデルに組み込み、電気的入力とネール秩序の再配列を結びつけることを目的とした。
• 室温でのスイッチドネール状態の安定性を評価し、実用的妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的活性化は、Mn2Auにおけるネール秩序の電気的スイッチングにどのように影響するか？
• RQ2 Mn2Auホールデバイスにおけるネールベクトルの再配列に、ジュール加熱が果たす役割は何か？
• RQ3 Mn2Au薄膜における電気的に誘起されたネール状態は、室温でどの程度安定しているか？
• RQ4 Mn2Auのスイッチング振幅は、熱的活性化モデルによって定量的に説明可能か？
• RQ5 これらの発見は、反強磁性スピントロニクスメモリデバイスの設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• Mn2Auのスイッチング振幅は、電流密度および温度に対して指数関数的依存を示し、熱的活性化と整合的である。
• 観察されたスイッチングダイナミクスは、ジュール加熱効果を組み込んだマクロな熱的活性化モデルにより良好に説明できる。
• 電流によるネール秩序の再配列を駆動する主要因として、熱的活性化が特定された。
• 電気的に設定されたネール状態は室温で安定しており、メモリ応用における長期的耐久性を示している。
• Mn2Auを用いた超高速で頑丈な反強磁性メモリデバイスの実現可能性が確認された。低磁場感度も特徴である。