[논문 리뷰] Hysteretic effects and magnetotransport of electrically switched CuMnAs

Jan Zubáč, Ka\v{s}par, Zden\v{e}k외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 28인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고자기장에서 반자성 CuMnAs에서 전기적으로 스위칭된 고저항 상태를 조사하여, 최대 60 T까지의 극한 자기장에서도 안정성을 유지하는 강한 히스테리시스 자기저항(MR) 효과를 규명하였다. 냉각 스위칭 메커니즘이 나노분할된 자성 구조를 유도하며, 실온에서 최대 20%까지 지속되는 저항 변화를 안정화시키며, MR 히스테리시스와 자기장에 의존하는 이방성은 전통적인 스핀-오비트 토크 재정렬과는 다름없는 강력하고 스위칭 가능한 반자성 구조를 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전기적으로 스위칭된 반자성 CuMnAs의 고저항 상태에서의 자기전도성 특성을 조사한다.
• 최대 60 T까지의 극한 자기장에서 스위칭된 상태의 내구성을 조사한다.
• 히스테리시스 자기저항(MR) 거동 및 스위칭 신호 크기 의존성을 특성화한다.
• 관측된 MR 히스테리시스와 이방성의 기원이 되는 나노분할에 의한 자성 구조의 진화를 연관 분석한다.

제안 방법

• 200 K 및 300 K에서 단극성 전기 펄스를 가하여 50 nm 두께의 CuMnAs 에피층에서 고저항 상태를 유도하였다.
• PPMS를 사용하여 14 T 이하에서 평면 방향 자기전도성 측정을 수행하였으며, 락인 기법과 각도 조절 기능을 활용하였다.
• 드레스덴 고자기장 실험실에서 최대 약 60 T의 펄스 자기장을 적용하여 자기장 내구성과 동적 MR 반응을 평가하였다.
• 고정밀 시간 해상도로 고자기장 펄스 중 저항 변화를 락인 기법을 사용해 기록하였다.
• A cos(2ψ) + B sin(2ψ) 함수에 적합하여 MR 히스테리시스와 각도 의존성을 분석하고, 이방성 진폭을 추출하였다.
• 스위칭 유도 저항 변화와 MR 히스테리시스, 자기장 기울기 변화를 연관시켜 자성 구조의 안정성을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적으로 스위칭된 CuMnAs의 자기저항은 최대 60 T까지의 고자기장에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 냉각된 고저항 상태에서의 히스테리시스 자기저항의 성질과 크기는 편안한 상태와 비교해 어떠한가?
• RQ3 스위칭된 상태에서 전류와 자기장의 상대적 정렬에 따라 자기저항의 이방성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 스위칭 신호 크기와 관측된 MR 히스테리시스 및 고자기장 기울기 사이의 상관관계는 어느 정도인가?
• RQ5 관측된 MR 응답은 전기적으로 유도된 고저항 상태의 안정성과 자성 구조에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• CuMnAs의 냉각 고저항 상태는 강한 히스테리시스 자기저항을 보이며, 스위칭 신호 크기와 비례하여 히스테리시스 크기가 증가하여 실온에서 최대 20%까지 도달한다.
• 스위칭된 상태에서의 자기저항은 유의미한 자기장 의존성 이방성을 보이며, 차별 저항 진폭(A cos(2ψ))은 자기장 강도와 스위칭 신호 크기가 증가함에 따라 증가한다.
• 스위칭 상태와 편안한 상태의 차이 MR 곡선의 고자기장 기울기는 스위칭 신호 크기 증가에 따라 증가하며, 20% 스위칭 신호에서 약 0.35 Ω/T에 도달한다.
• 스위칭된 상태는 약 60 T까지의 펄스 자기장에서도 안정성을 유지하며, 저항 신호에 유의미한 열화가 없어 극한 자기장에 대한 높은 내구성을 나타낸다.
• 관측된 히스테리시스 MR과 이방성은 DPC-STEM 및 영상 분석을 통해 날카로운 180° 도메인 벽을 포함한 나노분할된 자성 구조와 일치함을 확인하였다.
• MR 히스테리시스와 자기장 의존성은 전통적인 이방성 자기저항(AMR)과 다름없으며, 스핀-오비트 토크 재정렬이 아닌 고유한 냉각 스위칭 메커니즘에 기인한다.