[论文解读] Key role of thermal activation in the electrical switching of antiferromagnetic Mn2Au

Markus Meinert, Dominik Graulich+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 2

一句话总结

本研究通过焦耳加热实现了外延Mn2Au薄膜中Néel序的电控切换，其切换动力学由热激活主导。Néel态在室温下保持稳定，使其在超快、鲁棒的反铁磁内存器件中具有潜在应用价值。

ABSTRACT

Electrical manipulation of antiferromagnets with specific symmetries offers the prospect of creating novel, antiferromagnetic spintronic devices. Such devices aim to make use of the insensitivity to external magnetic fields and the ultrafast dynamics at the picosecond timescale intrinsic to antiferromagnets. The possibility to electrically switch antiferromagnets was first predicted for Mn2Au and then experimentally observed in tetragonal CuMnAs. Here, we report on the electrical switching and detection of the Neel order in epitaxial films of Mn2Au. The exponential dependences of the switching amplitude on the current density and the temperature are explained by a macroscopic thermal activation model taking into account the effect of the Joule heating in Hall cross devices and we observe that the thermal activation plays a key role in the reorientation process of the Neel order. Our model analysis shows that the electrically set Neel-state is long-term stable at room temperature, paving the way for practical applications in memory devices.

研究动机与目标

• 展示外延Mn2Au薄膜中Néel序的电控切换。
• 研究热激活在反铁磁Mn2Au电控切换过程中的作用。
• 建立电致Néel态在室温下的长期稳定性，以评估其在实际器件应用中的可行性。

提出的方法

• 通过外延生长制备Mn2Au薄膜，以确保高结构质量及明确的反铁磁序。
• 采用霍尔交叉结构施加电流并利用横向霍尔电压检测Néel序。
• 通过测量开关幅度对电流密度和温度的指数依赖关系，分析开关行为。
• 应用宏观热激活模型，解释观测到的电流和温度依赖的开关动力学。
• 在霍尔交叉结构中考虑焦耳加热效应，将电输入与Néel序重取向关联起来。
• 在室温下评估已切换Néel态的稳定性，以评估其实际可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 热激活如何影响Mn2Au中Néel序的电控切换？
• RQ2 焦耳加热在Mn2Au霍尔器件中Néel矢量重取向过程中起什么作用？
• RQ3 在Mn2Au薄膜中，电致Néel态在室温下的稳定性如何？
• RQ4 Mn2Au的开关幅度能否通过热激活模型进行定量解释？
• RQ5 这些发现对反铁磁自旋电子内存器件的设计有何启示？

主要发现

• Mn2Au的开关幅度对电流密度和温度均表现出指数依赖关系，与热激活行为一致。
• 观测到的开关动力学可通过包含焦耳加热效应的宏观热激活模型得到良好解释。
• 热激活被确定为在电流作用下驱动Mn2Au中Néel序重取向的主导机制。
• 电致Néel态在室温下保持稳定，表明其在内存应用中具有长期耐用性。
• 结果证实了利用Mn2Au实现超快、鲁棒的反铁磁内存器件的可行性，且对磁场敏感度低。