[论文解读] Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains

M. S. Wörnle, Pol Welter+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Advanced Electron Microscopy Techniques and ApplicationsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用 21

一句话总结

本研究揭示，电流脉冲可在CuMnAs薄膜中诱导反铁磁畴的纳米尺度碎裂，该过程由电流幅值控制，与电流方向无关。同步的扫描氮空位（NV）磁力测量与电阻测量显示，这种碎裂与强烈的电阻开关信号密切相关——室温下最大可达20%，而碎裂态仍保留原始畴结构的记忆，并随时间逐渐恢复至原始状态。

ABSTRACT

Electrical and optical pulsing allow for manipulating the order parameter and magnetoresistance of antiferromagnets, opening novel prospects for digital and analog data storage in spintronic devices. Recent experiments in CuMnAs have demonstrated giant resistive switching signals in single-layer antiferromagnetic films together with analog switching and relaxation characteristics relevant for neuromorphic computing. Here we report simultaneous electrical pulsing and scanning NV magnetometry of antiferromagnetic domains in CuMnAs performed using a pump-probe scheme. We observe a nano-scale fragmentation of the antiferromagnetic domains, which is controlled by the current amplitude and independent on the current direction. The fragmented antiferromagnetic state conserves a memory of the pristine domain pattern, towards which it relaxes. Domain fragmentation coexists with permanent switching due to the reorientation of the antiferromagnetic moments. Our simultaneous imaging and resistance measurements show a correlation between the antiferromagnetic domain fragmentation and the largest resistive switching signals in CuMnAs.

研究动机与目标

• 研究电脉冲作用下反铁磁CuMnAs薄膜中巨电阻开关效应的微观起源。
• 确定电流诱导的畴碎裂是否导致先前研究中观察到的显著电阻变化。
• 探讨反铁磁序参量开关过程中畴碎裂与Néel矢量重取向之间的相互作用。
• 利用原位纳米尺度磁成像，确立电流密度与脉冲宽度在驱动畴结构演化中的作用。
• 评估电流脉冲后碎裂反铁磁畴的记忆与弛豫动力学。

提出的方法

• 采用扫描氮空位（NV）磁力显微术，以亚100 nm的空间分辨率成像CuMnAs微器件中反铁磁畴的纳米尺度磁致漏磁场。
• 采用泵浦-探测方案，结合电脉冲与时间分辨NV测量，追踪脉冲期间及之后的畴演化过程。
• 通过施加磁场偏置场的ODMR光谱校准NV中心的灵敏度与取向，以确定面内磁致漏磁场分量的符号与大小。
• 对磁致漏磁场图采用高斯低通滤波（σ = 24 nm）以增强形貌清晰度并降低噪声。
• 通过自 resampling 方法估算不确定度，量化磁致漏磁场振幅，采用B_NV(x,y)在磁场图上的均方根（RMS）值。
• 将测得的磁致漏磁场图案与同步的电学电阻测量相关联，建立畴结构与电阻开关行为之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 电流脉冲是否在Néel矢量重取向之外，引起反铁磁畴结构的其他变化？
• RQ2 CuMnAs中的畴碎裂与电阻开关信号的大小有何关联？
• RQ3 电流诱导的畴碎裂是否依赖于电流方向，或仅取决于电流幅值？
• RQ4 碎裂的反铁磁态是否保留原始畴构型的记忆？若有，其弛豫行为如何？
• RQ5 在十字形微器件中，电流密度的空间非均匀性如何影响畴碎裂？

主要发现

• 电流脉冲可在CuMnAs中诱导反铁磁畴的纳米尺度碎裂，碎裂程度由电流幅值控制，与电流方向无关。
• 碎裂态与观测到的最大电阻开关信号强烈相关——室温下最高达20%，在30 K时可达约100%，较传统各向异性磁阻效应高出2至3个数量级。
• 碎裂的畴结构图案保留了原始完整畴构型的记忆，并通过时间分辨NV成像证实，随时间逐渐恢复至原始状态。
• 在某些区域，畴碎裂与180° Néel矢量重取向共存，表明多种开关机制同时发生。
• 在十字形微器件中，电流密度的空间非均匀分布导致畴碎裂的非均匀性，通过电流与磁场分布的关联测量得以揭示。
• 磁致漏磁场的RMS值作为畴结构复杂度的定量度量，在脉冲后显著增加，并与峰值电阻开关信号相关，证实了畴碎裂在信号放大中的关键作用。