[논문 리뷰] Key role of thermal activation in the electrical switching of antiferromagnetic Mn2Au

Markus Meinert, Dominik Graulich외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 21.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 줄열 가열을 통해 에pitaxial Mn2Au 박막에서 네엘 순서의 전기적 제어 스위칭을 입증하며, 열 활성화가 스위칭 역학을 지배한다. 네엘 상태는 실온에서 안정되어 있어 초고속, 내구성 있는 반자성 메모리 장치에 응용 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 Mn2Au 박막에서 네엘 순서의 전기적 스위칭을 입증하기 위해.
• 반자성 Mn2Au의 전기적 스위칭 과정에서 열 활성화의 역할을 조사하기 위해.
• 실용적 장치 응용을 위한 실온에서 전기적으로 설정된 네엘 상태의 장기적 안정성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 고구조 품질과 명확한 반자성 질서를 확보하기 위해 에피택셜 Mn2Au 박막을 제작하였다.
• 홀 크로스 장치를 사용하여 전류를 인가하고 횡방향 홀 전압을 통해 네엘 순서를 탐지하였다.
• 스위칭 행동은 전류 밀도 및 온도에 대한 스위칭 진폭의 지수적 의존도를 측정하여 분석하였다.
• 관측된 전류 및 온도 의존적 스위칭 역학을 설명하기 위해 매크로스코픽 열 활성화 모델을 적용하였다.
• 전기 입력과 네엘 순서 재정렬을 연결하기 위해 홀 크로스 기하구조 내의 줄열 가열 효과를 모델에 반영하였다.
• 실온에서 스위치된 네엘 상태의 안정성을 평가하여 실용 가능성 여부를 점검하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 활성화는 Mn2Au에서 네엘 순서의 전기적 스위칭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 줄열 가열은 Mn2Au 홀 장치에서 네엘 벡터 재정렬에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Mn2Au 박막에서 전기적으로 유도된 네엘 상태는 실온에서 얼마나 안정한가?
• RQ4 Mn2Au의 스위칭 진폭은 열 활성화 모델로 정량적으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이러한 결과는 반자성 스피인트로닉스 메모리 장치 설계에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• Mn2Au의 스위칭 진폭은 전류 밀도 및 온도에 대해 지수적 의존성을 보이며, 열 활성화와 일치한다.
• 관측된 스위칭 역학은 줄열 가열 효과를 포함한 매크로스코픽 열 활성화 모델에 의해 잘 설명된다.
• 전기적 전류 하에서 네엘 순서 재정렬을 이끄는 주요 메커니즘으로 열 활성화가 확인되었다.
• 전기적으로 설정된 네엘 상태는 실온에서 안정되어 있어 메모리 응용을 위한 장기적 내구성을 나타낸다.
• 결과는 Mn2Au를 초고속, 내구성 있는 반자성 메모리 장치에 사용할 수 있음을 확인하며, 낮은 자장 민감도를 갖는다.