[论文解读] Cluster magnetic octupole induced out-of-plane spin polarization in antiperovskite antiferromagnet

Yunfeng You, Hua Bai+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 53被引用 89

一句话总结

该论文表明，反钙钛矿反铁磁体Mn3SnN中的面外自旋极化（𝛔z）源于载流子通过簇磁偶极矩时引起的自旋进动，且𝛔z仅在电流方向与偶极矩方向平行时出现。作者利用此𝛔z实现了无外磁场、确定性的电流驱动自旋轨道力矩（SOT）开关，从而为超快、低功耗自旋电子器件开辟了新途径。

ABSTRACT

Out-of-plane spin polarization {\sigma}_z has attracted increasing interests of researchers recently, due to its potential in high-density and low-power spintronic devices. Noncollinear antiferromagnet (AFM), which has unique 120{\deg} triangular spin configuration, has been discovered to possess {\sigma}_z. However, the physical origin of {\sigma}_z in noncollinear AFM is still not clear, and the external magnetic field-free switching of perpendicular magnetic layer using the corresponding {\sigma}_z has not been reported yet. Here, we use the cluster magnetic octupole in antiperovskite AFM Mn3SnN to demonstrate the generation of {\sigma}_z. {\sigma}_z is induced by the precession of carrier spins when currents flow through the cluster magnetic octupole, which also relies on the direction of the cluster magnetic octupole in conjunction with the applied current. With the aid of {\sigma}_z, current induced spin-orbit torque (SOT) switching of adjacent perpendicular ferromagnet is realized without external magnetic field. Our findings present a new perspective to the generation of out-of-plane spin polarizations via noncollinear AFM spin structure, and provide a potential path to realize ultrafast high-density applications.

研究动机与目标

• 确定非共线反铁磁体中面外自旋极化（𝛔z）的物理起源。
• 证明在反钙钛矿Mn3SnN中，可通过簇磁偶极矩存在下的自旋进动产生𝛔z。
• 利用反铁磁体中的𝛔z实现垂直磁化铁磁层的无外部磁场开关。
• 建立一种基于非共线反铁磁体系中磁对称性破缺的𝛔z生成新机制。

提出的方法

• 研究采用在400 °C下通过磁控溅射在MgO衬底上生长的（110）取向Mn3SnN薄膜。
• 通过在2–17 GHz频率范围内注入微波电流，利用自旋转移共振（ST-FMR）测量自旋轨道力矩（SOT）。
• 通过ST-FMR响应的线型拟合，提取面内与面外力矩分量的角依赖性，从而分离出𝛔z与自旋霍尔效应的贡献。
• 理论分析证实，𝛔z与自旋轨道场（𝐇𝐬𝐨）和簇磁偶极矩（𝐓）的叉积成正比，即𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓。
• 器件制备通过将Mn3SnN/Py和Mn3SnN/(Co/Pd)3异质结构图案化为微带线和交叉条形器件，用于SOT开关实验。
• 磁对称性分析表明，当电流方向垂直于偶极矩时，由于磁镜对称性保持不变，𝛔z消失。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Mn3SnN等非共线反铁磁体中，面外自旋极化（𝛔z）的物理起源是什么？
• RQ2 簇磁偶极矩方向相对于电流方向如何影响𝛔z的产生？
• RQ3 Mn3SnN中的𝛔z能否实现对垂直磁化铁磁层的无外磁场开关？
• RQ4 非共线自旋结构的磁对称性在促进或抑制𝛔z中起什么作用？

主要发现

• 当电流方向与簇磁偶极矩方向平行时，Mn3SnN中产生面外自旋极化（𝛔z），而当电流方向垂直于偶极矩时，由于对称性保护，𝛔z消失。
• 𝛔z由载流子在自旋轨道场作用下的自旋进动引起，其极化程度与自旋轨道场和偶极矩的叉积成正比（𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓）。
• 在Mn3SnN/(Co/Pd)3异质结构中，仅利用反铁磁体产生的电流驱动𝛔z，即实现了垂直Co/Pd多层膜的无外磁场、确定性开关。
• 量化了面内力矩（𝜃FL,𝑧）和反阻尼力矩（𝜃AD,𝑧）的自旋力矩比，证实了𝛔z对两类力矩分量的贡献。
• Mn3SnN的奈尔温度（475 K）确保其在室温下可稳定产生𝛔z，适用于实际器件应用。
• 该机制可推广至其他具有120°三角自旋结构和簇磁偶极矩序的非共线反铁磁体。