[論文レビュー] Time-dependent multistate switching of topological antiferromagnetic order in Mn$_3$Sn

Gunasheel Kauwtilyaa Krishnaswamy, Giacomo Sala+5 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、電流駆動スピン軌道トーキーと自己加熱を介して、Mn₃Snにおける位相的反強磁性秩序の時間依存的マルチステートスイッチングを実証した。二段階の脱磁化・再磁化スイッチング過程が明らかになった。主な発見は、スイッチングダイナミクスが加熱速度によって制限されることであり、短いフォールタイムパルスでは熱的脱磁化により三安定スイッチングが観察されたが、理論的予測とは異なり、多結晶試料では一貫したキラルスピン回転が観測されなかった。

ABSTRACT

The manipulation of antiferromagnetic order by means of spin-orbit torques opens unprecedented opportunities to exploit the dynamics of antiferromagnets in spintronic devices. In this work, we investigate the current-induced switching of the magnetic octupole vector in the Weyl antiferromagnet Mn$_3$Sn as a function of pulse shape, field, temperature, and time. We find that the switching behavior can be either bistable or tristable depending on the temporal structure of the current pulses. Time-resolved Hall effect measurements reveal that Mn$_3$Sn switching proceeds via a two-step demagnetization-remagnetization process caused by self-heating over a timescale of tens of ns followed by cooling in the presence of spin-orbit torques. Our results shed light on the switching dynamics of Mn$_3$Sn and prove the existence of extrinsic limits on its switching speed.

研究の動機と目的

• Weyl反強磁性体であるMn₃Snにおける磁気オクテュプレット秩序の電流駆動スイッチングダイナミクスを調査すること。
• パルス形状、磁場、温度、時間の影響がスイッチング行動に及ぼす要因を特定すること。
• 理論的予測とは異なり、多結晶Mn₃Snにおいて一貫したキラルスピン回転が生じるかどうかを解明すること。
• 自己加熱とスピン軌道トーキーがスイッチング速度と最終状態をどのように決定するかを確立すること。

提案手法

• リアルタイムのスイッチングダイナミクスを追跡するため、50 psの時間分解能を持つ時間分解異常ホール効果（AHE）測定。
• パルス持続時間とフォールタイムを変化させたパルス下でのシングルショットおよび平均化AHEトレースを用いて、一貫性のあるダイナミクスとそうでないダイナミクスを区別。
• スピン軌道トーキーとジュール加熱の相互作用を調査するため、上昇・フォールタイムを制御した電流パルスの適用。
• z軸方向の磁場を用いて特定のgベクトル方位を安定化させ、決定論的スイッチングを可能にする。
• 電流密度、パルス長、温度を関数としてスイッチングループを分析し、二安定および三安定領域を同定。
• 並列抵抗モデルを用いてPtおよびMn₃Sn内の電流密度を推定し、スピン電流注入と加熱速度の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流パルスの時間的形状が、Mn₃Snにおける磁気オクテュプレットのスイッチング行動にどのように影響するか？
• RQ2 自己加熱とスピン軌道トーキーの両方が、スイッチングダイナミクスと最終状態を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 理論的予測とは異なり、多結晶Mn₃Snにおいて電流パルス下で一貫したキラルスピン回転が観測可能か？
• RQ4 Mn₃Snのスイッチング速度は、熱的緩和かスピンダイナミクスのどちらによって制限されているか？
• RQ5 時間分解ホール効果測定は、トポロジカル反強磁性体における高速スイッチングプロセスを解明できるか？

主な発見

• 電流パルスのフォールタイムが400 ns未満の場合、Mn₃Snでは三安定スイッチングが観察され、異常ホール効果がゼロとなる脱磁化中間状態が形成された。
• パルスのフォールタイムが400 nsを超える場合にのみ、±z gベクトル状態間の二安定スイッチングが発生し、これは再磁化のための熱的回復が必要であることを示している。
• スイッチングは二段階プロセスで進行する：電流駆動による自己加熱が数十ナノ秒スケールで系を脱磁化し、その後冷却中にスピン軌道トーキーによって再磁化が進行する。
• スイッチング時間は電流密度にのみ依存し、印加磁場には依存しないため、加熱速度が主な速度制限要因であることが示された。
• シングルショットAHEトレースに周期的振動の証拠が認められないことから、理論的予測とは異なり、多結晶Mn₃Snでは一貫したキラルスピン回転が観測されなかった。
• Mn₃Snにおける測定電流密度1.3×10⁷ A/cm²およびPtにおける6.2×10⁷ A/cm²は、1.7 GHzのスピン回転を駆動するのに十分であるが、減衰と非一貫性のため、観測可能な振動は生じなかった。