[논문 리뷰] Time-dependent multistate switching of topological antiferromagnetic order in Mn$_3$Sn

Gunasheel Kauwtilyaa Krishnaswamy, Giacomo Sala외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 11.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전류에 의해 유도되는 스핀-오비트 토크와 자기열을 통해 Mn₃Sn에서 위상적 안티페로자성 순서의 시간에 따라 변하는 다중상태 스위칭을 입증한다. 이는 두 단계로 이루어진 비자기화-재자기화 스위칭 과정을 드러내며, 주요 발견은 스위칭 역학이 가열 속도에 의해 제한된다는 것이다. 짧은 후행 시간 펄스 조건에서는 열적 비자기화로 인해 삼중상태 스위칭이 관찰되지만, 이론 예측과는 달리 다결정성 샘플에서는 일관된 캐리얼 스핀 회전이 관측되지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 웨일 안티페로자성체인 Mn₃Sn에서 자기 삼극자 순서의 전류 유도 스위칭 역학을 조사하기 위해.
• 펄스 형상, 자장, 온도 및 시간이 스위칭 행동에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 이론적으로 예측된 바와 같이 다결정성 Mn₃Sn에서 일관된 캐리얼 스핀 회전이 발생하는지 여부를 확인하기 위해.
• 자기열과 스핀-오비트 토크가 스위칭 속도와 최종 상태를 결정하는 데서 수행하는 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 실시간 스위칭 역학을 추적하기 위해 시간 해상도 50 ps인 시간 해상도가 높은 비정상 홀 효과(AHE) 측정을 수행하였다.
• 다양한 지속 시간과 후행 시간을 갖는 전류 펄스 동안 단일 스펙트럼 및 평균 AHE 트레이스를 분석하여 일관성 있는 동역학과 비일관성 있는 동역학을 구별하였다.
• 스핀-오비트 토크와 저울 열이 상호작용하는 것을 탐색하기 위해 제어된 상승 및 후행 시간을 갖는 전류 펄스를 적용하였다.
• 특정 g-벡터 방향을 안정화하고 결정적인 스위칭을 가능하게 하기 위해 z축 방향 자장을 적용하였다.
• 전류 밀도, 펄스 길이, 온도에 따른 스위칭 루프 분석을 통해 이중상태 및 삼중상태 영역을 식별하였다.
• 병렬 저항기 모델을 사용하여 Pt 및 Mn₃Sn 내 전류 밀도를 추정함으로써 스핀 전류 주입 및 가열 속도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류 펄스의 시간적 형상이 Mn₃Sn의 자기 삼극자에서 스위칭 행동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 스위칭 역학과 최종 상태를 결정하는 데서 자기열과 스핀-오비트 토크의 역할은 무엇인가?
• RQ3 이론적으로 예측된 바와 같이 다결정성 Mn₃Sn에서 전류 펄스 조건 하에 일관된 캐리얼 스핀 회전이 관측 가능한가?
• RQ4 Mn₃Sn의 스위칭 속도는 무엇에 의해 제한되며, 열적 회복인지 스핀 역학인지에 의해 결정되는가?
• RQ5 시간 해상도가 높은 홀 효과 측정은 위상적 안티페로자성체에서 빠른 스위칭 과정을 해명할 수 있는가?

주요 결과

• 전류 펄스 후행 시간이 400 ns 이하일 경우 Mn₃Sn에서 삼중상태 스위칭이 관찰되며, 이는 비자기화된 중간 상태에서 비정상 홀 효과가 0이 되는 현상이다.
• 펄스 후행 시간이 400 ns를 초과할 경우에만 ±z g-벡터 상태 간의 이중상태 스위칭이 발생하며, 이는 결정적인 재정렬을 위해 열적 복구가 필요하다는 것을 시사한다.
• 스위칭은 두 단계 과정을 거친다: 전류에 의해 유도된 자기열이 수십 나노초의 시간 스케일에서 시스템을 비자기화시키고, 냉각 중 스핀-오비트 토크에 의해 재자기화된다.
• 스위칭 시간은 적용된 자장에 영향을 받지 않고 전적으로 전류 밀도에 의해 결정되며, 이는 가열 속도가 주요 속도 제한 요소임을 나타낸다.
• 단일 스펙트럼 AHE 트레이스에서 주기적 진동의 증거가 없음을 고려할 때, 이론 예측과는 달리 다결정성 Mn₃Sn에서는 일관된 캐리얼 스핀 회전이 관측되지 않는다.
• Mn₃Sn에서 측정된 전류 밀도 1.3×10⁷ A/cm²와 Pt에서의 6.2×10⁷ A/cm²는 1.7 GHz의 스핀 회전을 유도할 수 있지만, 감쇠와 비일관성으로 인해 관측 가능한 진동은 발생하지 않는다.