[논문 리뷰] Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains

M. S. Wörnle, Pol Welter외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Advanced Electron Microscopy Techniques and ApplicationsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 현재 펄스가 구리マン간아르세나이드(CuMnAs) 필름에서 반자성 도메인의 나노스케일 분열을 유도함을 밝혀내며, 이 과정는 전류의 크기에 의해 제어되며 전류의 방향과는 무관하다. 동시에 수행된 스캐닝 NV 자기측정과 저항 측정 결과, 이러한 분열 현상은 큰 저항 스위칭 신호와 강하게 상관되며, 실온에서 최대 20%의 신호를 기록했고, 분열된 상태는 원래의 도메인 패턴을 기억하고 이를 향해 점차 복귀하는 특성을 보였다.

ABSTRACT

Electrical and optical pulsing allow for manipulating the order parameter and magnetoresistance of antiferromagnets, opening novel prospects for digital and analog data storage in spintronic devices. Recent experiments in CuMnAs have demonstrated giant resistive switching signals in single-layer antiferromagnetic films together with analog switching and relaxation characteristics relevant for neuromorphic computing. Here we report simultaneous electrical pulsing and scanning NV magnetometry of antiferromagnetic domains in CuMnAs performed using a pump-probe scheme. We observe a nano-scale fragmentation of the antiferromagnetic domains, which is controlled by the current amplitude and independent on the current direction. The fragmented antiferromagnetic state conserves a memory of the pristine domain pattern, towards which it relaxes. Domain fragmentation coexists with permanent switching due to the reorientation of the antiferromagnetic moments. Our simultaneous imaging and resistance measurements show a correlation between the antiferromagnetic domain fragmentation and the largest resistive switching signals in CuMnAs.

연구 동기 및 목표

• 전기 펄스 조건 하에서 반자성 CuMnAs 필름에서 거대한 저항 스위칭의 미세구조적 기원을 규명하는 것.
• 이전 연구에서 관찰된 큰 저항 변화에 기여하는 전류 유도 도메인 분열의 존재 여부를 확인하는 것.
• 반자성 순서 매개변수 스위칭 과정에서 도메인 분열과 네엘 벡터 재정렬 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• 현장 내 나노스케일 자기 영상 기법을 활용하여 전류 밀도와 펄스 지속 시간이 도메인 구조 진화에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 전류 펄스 후 반자성 도메인의 메모리 및 회복 동역학을 평가하는 것.

제안 방법

• 100 nm 이하의 공간 해상도를 확보한 채로, 구리맨간아르세나이드 마이크로디바이스의 반자성 도메인의 나노스케일 자기 외부장 영상을 스캐닝 질소빈공(NV) 자기측정법을 통해 촬영하였다.
• 전류 펄스와 시간에 따라 변화하는 NV 측정을 결합한 펌프-프로브 방법을 사용하여 펄스 중 및 펄스 후 도메인의 진화를 추적하였다.
• 적용된 자기장 보조 필드를 이용한 ODMR 분광법을 통해 NV 중심의 감도와 방향을 校정하여, 평면 내 자기 외부장 성분의 부호와 크기를 결정하였다.
• 형상의 명확성 향상과 노이즈 감소를 위해 외부장 지도에 대해 가우시안 저통과 필터링(σ = 24 nm)을 적용하였다.
• 외부장 지도 전체에서 B_NV(x,y)의 제곱근 평균제곱(RMS)을 사용하여 자기 외부장의 진폭을 정량화하였으며, 불확도는 재표본 추출(jackknife resampling) 방법으로 추정하였다.
• 측정된 자기 외부장 패턴과 동시에 측정된 전기 저항 측정 결과를 연계하여 도메인 구조와 저항 스위칭 행동 간의 관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류 펄스는 네엘 벡터 재정렬을 초월해 반자성 도메인 구조에 변화를 유도하는가?
• RQ2 CuMnAs의 도메인 분열은 저항 스위칭 신호의 크기와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 전류 유도 도메인 분열은 전류의 방향에 의존하는가, 아니면 전류의 크기만에 의존하는가?
• RQ4 분열된 반자성 도메인 상태는 원래의 도메인 구성에 대한 기억을 유지하는가? 만약 그렇다면, 그 회복 과정은 어떻게 진행되는가?
• RQ5 교차형 마이크로디바이스에서 전류 밀도의 공간적 비균일성이 도메인 분열에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 전류 펄스는 CuMnAs에서 반자성 도메인의 나노스케일 분열을 유도하며, 이 분열 정도는 전류의 크기에 의해 제어되며 전류의 방향과는 무관하다.
• 분열된 도메인 상태는 관측된 최대 저항 스위칭 신호와 강하게 상관되며, 실온에서 최대 20%의 신호를 기록했고, 30 K에서는 약 100%에 이르렀으며, 기존의 이방성 자기저항 효과보다 2~3개의 주기수만큼 뛰어나다.
• 분열된 도메인 패턴은 원래의 정제된 도메인 구성에 대한 기억을 유지하며, 시간에 따라 점차 원래 상태로 복귀하는 경향을 보이며, 이는 시간에 따른 NV 영상으로 확인되었다.
• 일부 영역에서는 도메인 분열과 함께 180° 네엘 벡터 재정렬이 동시에 발생하여, 여러 개의 스위칭 메커니즘이 동시에 작용하고 있음을 시사한다.
• 교차형 마이크로디바이스의 표면에서 전류 밀도 분포의 공간적 비균일성이 도메인 분열의 비균일성을 초래하며, 전류 및 자기장 지도의 연계 측정을 통해 이를 입증하였다.
• 자기 외부장의 RMS는 도메인 구조 복잡성의 정량적 척도로서, 펄스 후에 크게 증가하며 피크 저항 스위칭과 상관관계를 보이며, 도메인 분열이 신호 증폭에 기여한다는 것을 확인하였다.