[논문 리뷰] Electrical switching of antiferromagnetic CoO | Pt across the N\'eel temperature

M. J. Grzybowski, Casper F. Schippers외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 21인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 네일 전이의 온도 의존성을 활용하여, 반자성 CoO|Pt 장치에서 전기적 스위칭의 기원이 열적 효과가 아니라 네일 벡터의 자화 재정렬임을 입증한다. 네일 전이 온도(TN ≈ 272 K) 이하에서의 횡방향 저항 측정을 통해, TN 이하에서는 존재하고 상기에서는 존재하지 않는 스핀 홀 자화저항(SMR) 신호를 분리하여, 전류 밀도 약 ~5×10⁷ Acm⁻²에서 전기적 반응의 자성 기원을 확인한다.

ABSTRACT

One of the most important challenges in antiferromagnetic spintronics is the read-out of the N\'eel vector state. High current densities up to 10$^8$ Acm$^{-2}$ used in the electrical switching experiments cause notorious difficulty in distinguishing between magnetic and thermal origins of the electrical signals. To overcome this problem, we present a temperature dependence study of the transverse resistance changes in the switching experiment with CoO|Pt devices. We demonstrate the possibility to extract a pattern of spin Hall magnetoresistance for current pulses density of $5 imes 10^7$ Acm$^{-2}$ that is present only below the N\'eel temperature and does not follow a trend expected for thermal effects. This is the compelling evidence for the magnetic origin of the signal, which is observed using purely electrical techniques. We confirm these findings by complementary experiments in an external magnetic field. Such an approach can allow determining the optimal conditions for switching antiferromagnets and be very valuable when no imaging techniques can be applied to verify the origin of the electrical signal.

연구 동기 및 목표

• 반자성체의 전기적 스위칭 신호에 대한 모호함을 해소하기 위해, 이는 열적 효과일 수 있으나 자화 재정렬 때문일 수도 있기 때문이다.
• 반자성 헤테로구조에서 스위칭 신호의 자성 기원을 확인하기 위한 순수 전기적 방법을 수립하기 위해.
• 이미징 기술이 비현실적인 복잡한 매립형 다층막에서 스위칭 조건을 최적화하기 위해.
• 스핀 홀 자화저항(SMR) 패턴이 네일 온도 이하에서만 유지됨을 보여주어 자성 스위칭의 명확한 서명을 제공함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 네일 전이 온도(TN ≈ 272 K) 이하와 초과하는 온도 범위에서, 전류 밀도가 다양한(최대 92 MAcm⁻²) CoO|Pt 헤테로구조에서 전기적 스위칭 실험을 수행하였다.
• 각 펄스 시퀀스 이후, 저항 측정을 위해 잠금 증폭기 방식을 사용한 횡방향 저항 변화를 측정하였으며, 이때 탐측 전류는 0.25 mA(0.6 MAcm⁻²)로 유지하였다.
• 저항 변화의 온도 의존성을 비교하여 자성(SMR)과 비자성(열, 시베크, 전자이동) 기여를 구분하였다.
• e-beam 리소그래피 및 이온 밀링을 통해 5-nm 두께의 CoO 필름을 MgO (001) 기반에 형성하고, 5-nm 두께의 Pt 캡핑층을 덧입혔다.
• 두 상호수직인 [110] 및 [110] 용이 축을 따라 전류 펄스를 적용하여, 매 5개 펄스마다 방향을 번갈아가며 방향성 의존성을 탐색하였다.
• 외부 자기장 실험을 통해 스위칭 반응의 자성 성격을 확인함으로써 결과를 보강하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 전기적 측정을 통해 반자성 CoO|Pt에서 전기적 스위칭 신호의 자성 기원을 열적 오염물질과 명확히 구별할 수 있는가?
• RQ2 CoO|Pt에서의 스핀 홀 자화저항(SMR) 신호는 네일 전이 온도 이하의 반자성 정렬 상태에서만 유지되는가?
• RQ3 어느 전류 밀도에서 자성 스위칭 신호가 나타나며, 그 크기와 온도 의존성에서 열적 효과와 어떻게 다를까?
• RQ4 SMR 패턴은 반자성 헤테로구조에서 네일 벡터 재정렬의 신뢰할 수 있는 전기적 서명으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 네일 전이 온도 이하와 초과에서 저항 변화 행동은 어떻게 다를까? 이는 신호 해석에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 고전류 밀도(>89 MAcm⁻²)에서 비자성 열 효과와 일치하는 이凹형의 횡방향 저항 패턴이 관측되었으며, 이 신호는 네일 전이 온도 이하(305 K)에서도 유지되어 비자성 기원임을 시사한다.
• 중간 전류 밀도(~5×10⁷ Acm⁻²)에서, 네일 전이 온도 이하(T < 272 K)에서만 존재하는 특징적인 SMR 유사 저항 패턴이 나타나, 이는 자성 기원임을 확인한다.
• SMR 신호는 펄스 수 증가에 따라 포화되지 않았으며, 온도 의존적인 크기를 보였고, TN 이상에서는 감소하는 경향을 보여 열적 효과와 일치하지 않는다.
• 지속적인 가열에도 불구하고 TN 이상에서는 신호가 존재하지 않아, 관측된 저항 변화가 네일 벡터의 자화 재정렬 때문임을 강력히 뒷받침한다.
• 외부 자기장 실험을 통한 보완 실험은 스위칭 과정의 자성 성격을 추가로 확인하였으며, 온도 의존적 SMR 서명의 신뢰성을 강화한다.
• 이 결과는 이미징이 비현실적인 복잡한 매립형 헤테로구조에서 반자성체의 자성 스위칭을 검증하기 위한 강력한 순수 전기적 방법을 확립한다.