[论文解读] Magnetization switching in polycrystalline Mn3Sn thin film induced by self-generated spin-polarized current

Hang Xie, Xin Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 4

一句话总结

本研究通过自生的自旋极化电流，在多晶Mn3Sn薄膜中实现了电场诱导的磁化翻转，无需外部自旋流注入。即使在厚MgO势垒（>3 nm）条件下，该翻转仍能持续，且在高MgO厚度下极性反转表明晶粒间自旋转移扭矩主导了传统自旋轨道扭矩，为无双层结构的反铁磁自旋电子学提供了新途径。

ABSTRACT

Electrical manipulation of spins is essential to design state-of-the-art spintronic devices and commonly relies on the spin current injected from a second heavy-metal material. The fact that chiral antiferromagnets produce spin current inspires us to explore the magnetization switching of chiral spins using self-generated spin torque. Here, we demonstrate the electric switching of noncollinear antiferromagnetic state in Mn3Sn by observing a crossover from conventional spin-orbit torque to the self-generated spin torque when increasing the MgO thickness in Ta/MgO/Mn3Sn polycrystalline films. The spin current injection from the Ta layer can be controlled and even blocked by varying the MgO thickness, but the switching sustains even at a large MgO thickness. Furthermore, the switching polarity reverses when the MgO thickness exceeds around 3 nm, which cannot be explained by the spin-orbit torque scenario due to spin current injection from the Ta layer. Evident current-induced switching is also observed in MgO/Mn3Sn and Ti/Mn3Sn bilayers, where external injection of spin Hall current to Mn3Sn is negligible. The inter-grain spin-transfer torque induced by spin-polarized current explains the experimental observations. Our findings provide an alternative pathway for electrical manipulation of non-collinear antiferromagnetic state without resorting to the conventional bilayer structure.

研究动机与目标

• 探索在不依赖外部自旋流注入的情况下，对Mn3Sn中非共线反铁磁态的电控调控。
• 研究自生自旋极化电流在多晶Mn3Sn薄膜磁化翻转中的作用。
• 确定当传统自旋轨道扭矩被抑制时，晶粒间自旋转移扭矩是否足以驱动翻转。
• 阐明在高MgO厚度下观察到的翻转极性反转背后的机制。

提出的方法

• 通过系统调节MgO厚度，制备Ta/MgO/Mn3Sn三明治结构，以调控自旋流传输。
• 利用Ta层中的自旋霍尔效应生成自旋流，MgO厚度控制其注入Mn3Sn的效率。
• 通过霍尔条形几何结构，在不同电流和MgO厚度下测量磁化翻转。
• 观察到当MgO厚度>3 nm时，翻转极性发生反转，与标准自旋轨道扭矩模型不符。
• 对比MgO/Mn3Sn和Ti/Mn3Sn双层结构中的翻转行为，其中外部自旋注入可忽略不计。
• 提出晶粒间自旋转移扭矩是解释高MgO厚度下持续翻转的主导机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自生自旋极化电流实现Mn3Sn中无需外部自旋流注入的磁化翻转？
• RQ2 为何当MgO厚度超过约3 nm时，翻转极性发生反转，与自旋轨道扭矩理论预期相反？
• RQ3 当厚MgO层阻断自旋流注入时，晶粒间自旋转移扭矩是否足以驱动翻转？
• RQ4 在外部自旋注入可忽略的双层结构（如MgO/Mn3Sn、Ti/Mn3Sn）中，翻转行为有何不同？
• RQ5 何种机制可解释在高MgO厚度下自旋流仍能持续翻转，而传统自旋轨道扭矩本应消失？

主要发现

• 在多晶Mn3Sn中，磁化翻转即使在MgO厚度达5 nm时仍能持续，此时Ta层的自旋流注入被有效阻断。
• 当MgO厚度超过约3 nm时，翻转极性发生反转，该行为与传统自旋轨道扭矩机制不符。
• 在MgO/Mn3Sn和Ti/Mn3Sn双层结构中均观察到明显的电流诱导翻转，其中外部自旋注入可忽略，表明存在本征翻转机制。
• 所观察到的翻转归因于自生自旋极化电流产生的晶粒间自旋转移扭矩，而非自旋霍尔电流注入。
• 结果表明，这是一种可行的替代路径，可在无需传统双层自旋电子结构的情况下实现对非共线反铁磁态的电控。
• 研究结果表明，晶界效应和Mn3Sn中的本征自旋极化可实现鲁棒、可调制的磁化翻转，适用于自旋电子学应用。