[论文解读] Time-dependent multistate switching of topological antiferromagnetic order in Mn$_3$Sn

Gunasheel Kauwtilyaa Krishnaswamy, Giacomo Sala+5 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究通过电流诱导的自旋轨道力矩和自加热，展示了Mn₃Sn中拓扑反铁磁序的时间依赖性多态开关行为，揭示了两步去磁化-再磁化开关过程。关键发现为，开关动力学受加热速率限制：在短下降时间脉冲下观察到三态开关，这是由于热去磁化所致；尽管理论预测多晶样品中应存在相干手性自旋旋转，但实验中并未观测到该现象。

ABSTRACT

The manipulation of antiferromagnetic order by means of spin-orbit torques opens unprecedented opportunities to exploit the dynamics of antiferromagnets in spintronic devices. In this work, we investigate the current-induced switching of the magnetic octupole vector in the Weyl antiferromagnet Mn$_3$Sn as a function of pulse shape, field, temperature, and time. We find that the switching behavior can be either bistable or tristable depending on the temporal structure of the current pulses. Time-resolved Hall effect measurements reveal that Mn$_3$Sn switching proceeds via a two-step demagnetization-remagnetization process caused by self-heating over a timescale of tens of ns followed by cooling in the presence of spin-orbit torques. Our results shed light on the switching dynamics of Mn$_3$Sn and prove the existence of extrinsic limits on its switching speed.

研究动机与目标

• 研究外尔反铁磁体Mn₃Sn中磁八极序的电流诱导开关动力学。
• 确定脉冲形状、磁场、温度和时间对开关行为的影响。
• 解决理论预测中多晶Mn₃Sn是否存在相干手性自旋旋转的问题。
• 明确自加热和自旋轨道力矩在决定开关速度和最终状态中的作用。

提出的方法

• 采用50 ps时间分辨率的时间分辨反常霍尔效应（AHE）测量，以追踪实时开关动力学。
• 通过不同持续时间和下降时间的电流脉冲，获取单次和平均AHE波形，以区分相干与非相干动力学。
• 施加具有受控上升和下降时间的电流脉冲，以探究自旋轨道力矩与焦耳加热之间的相互作用。
• 沿z轴施加磁场以稳定特定g矢量取向，实现确定性开关。
• 分析开关回线随电流密度、脉冲长度和温度的变化，以识别双稳态和三稳态区域。
• 利用并联电阻模型估算Pt和Mn₃Sn中的电流密度，以评估自旋流注入和加热速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 电流脉冲的时间形状如何影响Mn₃Sn中磁八极序的开关行为？
• RQ2 自加热与自旋轨道力矩在决定开关动力学和最终状态中各自扮演什么角色？
• RQ3 在理论预测存在的情况下，多晶Mn₃Sn中是否可观测到电流脉冲下的相干手性自旋旋转？
• RQ4 Mn₃Sn的开关速度受何限制？是由热弛豫还是自旋动力学决定？
• RQ5 时间分辨霍尔效应测量能否解析拓扑反铁磁体中的快速开关过程？

主要发现

• 当电流脉冲下降时间短于400 ns时，Mn₃Sn中观察到三态开关，表现为中间态完全去磁化，反常霍尔效应为零。
• 仅当脉冲下降时间超过400 ns时，±z g矢量态之间才发生双稳态开关，表明确定性重取向需要热恢复过程。
• 开关过程通过两步机制进行：电流诱导的自加热在数十纳秒时间尺度上使系统去磁化，随后在冷却过程中由自旋轨道力矩驱动再磁化。
• 开关时间仅取决于电流密度，与外加磁场无关，表明加热速率是主要的速度限制因素。
• 单次AHE波形中无周期性振荡的证据，排除了多晶Mn₃Sn中存在相干手性自旋旋转的可能性，尽管理论预测其存在。
• 测得Mn₃Sn中电流密度为1.3×10⁷ A/cm²，Pt中为6.2×10⁷ A/cm²，足以驱动1.7 GHz的自旋旋转，但阻尼效应和非相干性导致无法观测到振荡。