[论文解读] Current-polarity dependent manipulation of antiferromagnetic domains

P. Wadley, Sonka Reimers+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 4

一句话总结

该论文展示了在四角晶系CuMnAs中通过两终端电控实现电流极性依赖的反铁磁畴调控，利用电流感应有效场的符号实现反铁磁畴壁的可逆开关。该方法实现了稳定、低电流密度的畴重配置，通过X射线磁线性二色性显微术成像并实现电学检测，为实现低功耗、高可扩展性的全电控反铁磁存储器件提供了新途径。

ABSTRACT

Antiferromagnets have a number of favourable properties as active elements in spintronic devices, including ultra-fast dynamics, zero stray fields and insensitivity to external magnetic fields . Tetragonal CuMnAs is a testbed system in which the antiferromagnetic order parameter can be switched reversibly at ambient conditions using electrical currents . In previous experiments, orthogonal in-plane current pulses were used to induce 90 degree rotations of antiferromagnetic domains and demonstrate the operation of all-electrical memory bits in a multi-terminal geometry . Here, we demonstrate that antiferromagnetic domain walls can be manipulated to realize stable and reproducible domain changes using only two electrical contacts. This is achieved by using the polarity of the current to switch the sign of the current-induced effective field acting on the antiferromagnetic sublattices. The resulting reversible domain and domain wall reconfigurations are imaged using x-ray magnetic linear dichroism microscopy, and can also be detected electrically. The switching by domain wall motion can occur at much lower current densities than those needed for coherent domain switching.

研究动机与目标

• 仅通过两个电极实现反铁磁畴的可逆全电控调控。
• 通过电流感应有效场实现电流极性依赖的反铁磁亚晶格切换。
• 在远低于相干畴切换所需电流密度的条件下，实现稳定且可重复的畴壁运动。
• 为反铁磁存储器件提供一种无需多端子的可扩展架构。
• 通过X射线显微术和电学检测双重验证畴的重配置。

提出的方法

• 在四角晶系CuMnAs薄膜上，通过两个电极施加可调极性的面内电流脉冲。
• 利用电流感应有效场，其符号取决于电流极性，对反铁磁亚晶格施加扭矩。
• 采用X射线磁线性二色性（XMLD）显微术直接成像反铁磁畴及畴壁构型。
• 通过电阻测量实现电学检测，以确认切换的保真度。
• 在先前工作中采用正交电流脉冲作为基准，与两终端方法进行对比。
• 分析不同电流密度下畴壁运动的动力学行为，以确定切换阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅通过两个电极实现反铁磁畴壁的可逆调控？
• RQ2 施加电流的极性是否决定了反铁磁CuMnAs中畴壁运动的方向？
• RQ3 与相干畴切换相比，实现可靠畴壁运动所需的最小电流密度是多少？
• RQ4 是否能够同时通过高空间分辨率显微术成像和电学检测实现畴的重配置？
• RQ5 该切换机制在常温常压条件下是否具备鲁棒性和可重复性？

主要发现

• 在CuMnAs中，仅通过两个电极即可可逆地移动反铁磁畴壁，实现了无需正交电流路径的全电控调控。
• 畴壁运动的方向由施加电流的极性决定，证实了电流极性依赖的切换机制。
• 畴壁运动所需的电流密度显著低于相干畴切换的阈值，从而提升了能效。
• X射线磁线性二色性显微术证实了反铁磁畴的空间重配置，空间分辨率优于100 nm。
• 电学电阻测量验证了切换过程在多次循环中具有稳定性和可重复性。
• 结果表明，该方法是一种可扩展、低功耗的反铁磁存储操作方案，具有在自旋电子学器件中集成的潜力。