[论文解读] Electrical switching of antiferromagnetic CoO | Pt across the N\'eel temperature

M. J. Grzybowski, Casper F. Schippers+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 21被引用 9

一句话总结

本研究通过利用Néel转变的温度依赖性，证明了在反铁磁性CoO|Pt器件中，电学开关效应源于Néel矢量的磁重取向，而非热效应。通过在Néel温度（TN ≈ 272 K）附近测量横向电阻，作者分离出仅在TN以下存在、以上则消失的自旋霍尔磁阻（SMR）信号，从而证实了在约5×10⁷ Acm⁻²电流密度下电学响应的磁性起源。

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.

研究动机与目标

• 解决反铁磁体电学开关信号中的模糊性，因为其可能源于热效应而非磁重取向。
• 建立一种纯电学方法，以确认反铁磁异质结构中开关信号的磁性起源。
• 在成像技术不适用的复杂结构中（尤其是埋藏多层结构），识别最优开关条件。
• 证明自旋霍尔磁阻（SMR）图案仅在Néel温度以下存在，从而提供磁开关的明确特征。

提出的方法

• 在温度跨越Néel温度（TN ≈ 272 K）的条件下，对CoO|Pt异质结构进行电学开关实验，施加不同密度的电流脉冲（最高达92 MAcm⁻²）。
• 在每次脉冲序列后，使用低探测电流（0.25 mA，0.6 MAcm⁻²）通过锁相放大测量横向电阻变化。
• 通过比较电阻变化的温度依赖性，区分磁性（SMR）与非磁性（热效应、塞贝克效应、电子迁移）贡献。
• 采用在MgO (001)衬底上生长的5-nm CoO薄膜，表面覆盖5-nm Pt帽层，通过电子束光刻与离子束刻蚀制备。
• 沿两个正交的[110]和[110]易轴方向交替施加电流脉冲，以探测各向异性依赖性。
• 通过外加磁场实验进一步验证开关响应的磁性本质。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过纯电学测量，明确区分反铁磁性CoO|Pt中电学开关信号的磁性起源与热效应伪影？
• RQ2 CoO|Pt中的自旋霍尔磁阻（SMR）信号是否仅在Néel温度以下的反铁磁有序相中存在？
• RQ3 磁性开关信号在何种电流密度下出现？其幅值与温度依赖性与热效应有何不同？
• RQ4 SMR图案能否作为反铁磁异质结构中Néel矢量重取向的可靠电学特征？
• RQ5 在Néel温度以上与以下，电阻变化行为有何差异？这对信号解释有何含义？

主要发现

• 在高电流密度（>89 MAcm⁻²）下，观察到与非磁性热效应一致的锯齿状横向电阻图案，且该信号在Néel温度以上（T = 305 K）仍持续存在，表明其非磁性起源。
• 在中等电流密度（~5×10⁷ Acm⁻²）下，出现一种独特的SMR样电阻图案，该图案仅在Néel温度以下（T < 272 K）存在，证实其磁性起源。
• SMR信号随脉冲次数增加未出现饱和，且其幅值随温度升高而减小，与热效应行为不符。
• 尽管存在持续加热，信号在TN以上完全消失，提供了有力证据表明观测到的电阻变化源于Néel矢量的磁重取向。
• 外加磁场下的补充实验进一步证实了开关过程的磁性本质，强化了温度依赖SMR特征的可靠性。
• 结果建立了一种稳健的纯电学方法，可用于验证反铁磁体中的磁性开关，尤其适用于成像技术不可行的复杂埋藏异质结构。