[论文解读] Hysteretic effects and magnetotransport of electrically switched CuMnAs

Jan Zubáč, Ka\v{s}par, Zden\v{e}k+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 28被引用 10

一句话总结

本研究在高磁场下探究了反铁磁性 CuMnAs 中电场切换的高电阻态，揭示了强烈的磁阻（MR）磁滞效应，并表现出对高达 60 T 极端磁场的强韧性能。淬火开关机制诱导出纳米碎片化的磁结构，从而稳定了大范围、不衰减的电阻变化（室温下最高达 20%），MR 磁滞与场依赖各向异性表明存在一种稳健、可切换的反铁磁结构，其与传统自旋轨道力矩重取向机制截然不同。

ABSTRACT

Antiferromagnetic spintronics allows us to explore storing and processing information in magnetic crystals with vanishing magnetization. In this manuscript, we investigate magnetoresistance effects in antiferromagnetic CuMnAs upon switching into high-resistive states using electrical pulses. By employing magnetic field sweeps up to 14 T and magnetic field pulses up to $\sim$ 60 T, we reveal hysteretic phenomena and changes in the magnetoresistance, as well as the resilience of the switching signal in CuMnAs to the high magnetic field. These properties of the switched state are discussed in the context of recent studies of antiferromagnetic textures in CuMnAs.

研究动机与目标

• 研究电场切换的反铁磁性 CuMnAs 中高电阻态的磁输运特性。
• 探测切换态在高达 60 T 的极端磁场下的稳定性。
• 表征磁滞磁阻（MR）行为及其与开关信号幅度的依赖关系。
• 将观测到的 MR 磁滞与各向异性与由纳米碎片化引起的磁结构演化相关联。

提出的方法

• 在 200 K 和 300 K 下施加单向电脉冲，以在 50 nm 厚的 CuMnAs 外延层中诱导高电阻态。
• 使用 PPMS 进行平面内磁输运测量，最高达 14 T，采用锁相技术与角度旋转功能。
• 在德累斯顿高磁场实验室施加脉冲磁场，最高达 ~60 T，以评估磁场韧性与动态 MR 响应。
• 采用锁相技术，在高场脉冲期间以高时间分辨率记录电阻演化。
• 通过拟合至 A cos(2ψ) + B sin(2ψ) 函数分析 MR 磁滞与角度依赖性，以提取各向异性振幅。
• 将开关引起的电阻变化与 MR 磁滞及场斜率变化相关联，以推断磁结构稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 电场切换的 CuMnAs 在高达 60 T 的高磁场下，其磁阻如何演化？
• RQ2 与弛豫态相比，淬火高电阻态中的磁滞磁阻的性质与大小为何？
• RQ3 在切换态中，磁阻的各向异性如何依赖于电流与磁场的相对取向？
• RQ4 开关信号幅度在多大程度上与观测到的 MR 磁滞大小及高场斜率相关？
• RQ5 MR 响应揭示了电场诱导高电阻态的稳定性与磁结构的哪些信息？

主要发现

• CuMnAs 中淬火高电阻态表现出强烈的磁滞磁阻，磁滞大小与开关信号幅度成正比，室温下最高可达 20%。
• 切换态中的磁阻表现出显著的场依赖各向异性，差分电阻振幅（A cos(2ψ)）随磁场强度与开关信号大小的增加而增大。
• 差分 MR 曲线（切换态减去弛豫态）的高场斜率随开关信号幅度增加而增大，在 20% 开关信号时达到约 0.35 Ω/T。
• 切换态在脉冲磁场高达 ~60 T 下保持稳定，电阻信号无显著退化，表明对极端磁场具有高度韧性。
• 观测到的磁滞 MR 与各向异性与含有陡峭 180° 域壁的纳米碎片化磁结构一致，经 DPC-STEM 与成像研究证实。
• MR 磁滞与场依赖性与传统各向异性磁阻（AMR）不同，归因于独特的淬火开关机制，而非自旋轨道力矩重取向。