مشاهده زمان‌پذیری فوق‌سریع سوئیچینگ غیر حرارتی القا شده توسط جریان در نیمه‌رسانای سیم‌نقش‌دار ویل آنتی‌فرومغناطیسی

چکیده

آنتی‌فرومغناطیس‌ها به‌دلیل کاربردهای اسپین‌ترونیک نسل آینده، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. در بین آن‌ها، نیمه‌رسانای سیم‌نقش‌دار ویل آنتی‌فرومغناطیسی Mn₃Sn به‌دلیل ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی‌اش که ناشی از ساختار چرخشی غیرخطی در دمای اتاق است، برجسته است. با وجود پیشرفت‌های پژوهشی در سوئیچینگ القا شده توسط جریان برای اکتاپول مغناطیسی در Mn₃Sn، سوئیچینگ فوق‌سریع ذاتی آنتی‌فرومغناطیس هنوز به‌صورت کامل کشف نشده و مکانیزم زیرین آن همچنان نامشخص باقی مانده است. در این مطالعه، دینامیک سوئیچینگ القا شده توسط جریان را به‌صورت فضایی‑زمانی در فیلم‌های پلی‑کریستالی Mn₃Sn با استفاده از تصویر‌برداری سریع اثر کرک مغناطیسی‑نورشناسی اندازه‌گیری می‌کنیم؛ پالس‌های جریان به‌طول ۱۴۰ پیکوثانیه بکار گرفته می‌شوند. نتایج ما به‌طور مستقیم دو رژیم سوئیچینگ متمایز را بر پایه شدت و مدت زمان پالس جریان نشان می‌دهند: یک فرآیند غیر حرارتی که نیازی به ذوب موقت ترتیب آنتی‌فرومغناطیسی ندارد، و یک فرآیند یارانهٔ حرارتی که به گرم شدن بالاتر از دمای ترتیب مغناطیسی متکی است. کار ما پتانسیل Mn₃Sn را برای بهره‌برداری در دستگاه‌های ضبط مغناطیسی فوق‌سریع نشان می‌دهد.

دسترسی به داده‌ها

داده‌های پشتیبان نتایج این تحقیق در بخش اطلاعات تکمیلی قابل دسترسی هستند. داده‌های منبع همراه این مقاله ارائه می‌شوند.

مراجع

1. Satoh, T. و همکاران. Spin oscillations in antiferromagnetic NiO triggered by circularly polarized light. Phys. Rev. Lett. 105, 077402 (2010).

2. Bossini, D. و همکاران. Macrospin dynamics in antiferromagnets triggered by sub-20 femtosecond injection of nanomagnons. Nat. Commun. 7, 10645 (2016).

3. Jungwirth, T., Marti, X., Wadley, P. & Wunderlich, J. Antiferromagnetic spintronics. Nat. Nanotechnol. 11, 231–241 (2016).

4. Baltz, V. و همکاران. Antiferromagnetic spintronics. Rev. Mod. Phys. 90, 015005 (2018).

5. Li, J. و همکاران. Spin current from sub-terahertz-generated antiferromagnetic magnons. Nature 578, 70–74 (2020).

6. Vaidya, P. و همکاران. Subterahertz spin pumping from an insulating antiferromagnet. Science 368, 160–165 (2020).

7. Bai, H. و همکاران. Functional antiferromagnets for potential applications on high-density storage and high frequency. J. Appl. Phys. 128, 210901 (2020).

8. Miwa, S. و همکاران. Giant effective damping of octupole oscillation in an antiferromagnetic Weyl semimetal. Small Sci. 1, 2000062 (2021).

9. Jhuria, K. و همکاران. Spin–orbit torque switching of a ferromagnet with picosecond electrical pulses. Nat. Electron. 3, 680–686 (2020).

10. Garello, K. و همکاران. Ultrafast magnetization switching by spin-orbit torques. Appl. Phys. Lett. 105, 212402 (2014).

11. Polley, D. و همکاران. Picosecond spin-orbit torque–induced coherent magnetization switching in a ferromagnet. Sci. Adv. 9, eadh5562 (2023).

12. Díaz, E. و همکاران. Energy-efficient picosecond spin–orbit torque magnetization switching in ferro- and ferrimagnetic films. Nat. Nanotechnol. 20, 36–42 (2025).

13. Yang, Y. و همکاران. Ultrafast magnetization reversal by picosecond electrical pulses. Sci. Adv. 3, e1603117 (2017).

14. Nakatsuji, S., Kiyohara, N. & Higo, T. Large anomalous Hall effect in a non-collinear antiferromagnet at room temperature. Nature 527, 212–215 (2015).

15. Higo, T. و همکاران. Anomalous Hall effect in thin films of the Weyl antiferromagnet Mn₃Sn. Appl. Phys. Lett. 113, 202402 (2018).

16. Ikeda, T. و همکاران. Anomalous Hall effect in polycrystalline Mn₃Sn thin films. Appl. Phys. Lett. 113, 222405 (2018).

17. Ikhlas, M. و همکاران. Large anomalous Nernst effect at room temperature in a chiral antiferromagnet. Nat. Phys. 13, 1085–1090 (2017).

18. Li, X. و همکاران. Anomalous Nernst and Righi-Leduc effects in Mn₃Sn: Berry curvature and entropy flow. Phys. Rev. Lett. 119, 056601 (2017).

19. Higo, T. و همکاران. Large magneto-optical Kerr effect and imaging of magnetic octupole domains in an antiferromagnetic metal. Nat. Photon. 12, 73–78 (2018).

20. Kuroda, K. و همکاران. Evidence for magnetic Weyl fermions in a correlated metal. Nat. Mater. 16, 1090–1095 (2017).

21. Nakatsuji, S. & Arita, R. Topological magnets: functions based on Berry phase and multipoles. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 13, 119–142 (2022).

22. Suzuki, M.-T., Koretsune, T., Ochi, M. & Arita, R. Cluster multipole theory for anomalous Hall effect in antiferromagnets. Phys. Rev. B 95, 094406 (2017).

23. Nomoto, T. & Arita, R. Cluster multipole dynamics in noncollinear antiferromagnets. Phys. Rev. Res. 2, 012045 (2020).

24. Železný, J., Zhang, Y., Felser, C. & Yan, B. Spin-polarized current in noncollinear antiferromagnets. Phys. Rev. Lett. 119, 187204 (2017).

25. Kimata, M. و همکاران. Magnetic and magnetic inverse spin Hall effects in a non-collinear antiferromagnet. Nature 565, 627–630 (2019).

26. Rout, P. K., Madduri, P. V. P., Manna, S. K. & Nayak, A. K. Field-induced topological Hall effect in the noncoplanar triangular antiferromagnetic geometry of Mn₃Sn. Phys. Rev. B 99, 094430 (2019).

27. Wang, X. و همکاران. Topological Hall effect in thin films of an antiferromagnetic Weyl semimetal integrated on Si. ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 7572–7577 (2023).

28. Li, X. و همکاران. Chiral domain walls of Mn₃Sn and their memory. Nat. Commun. 10, 3021 (2019).

29. Chen, X. و همکاران. Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction. Nature 613, 490–495 (2023).

30. Tsai, H. و همکاران. Electrical manipulation of a topological antiferromagnetic state. Nature 580, 608–613 (2020).

31. Higo, T. و همکاران. Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current. Nature 607, 474–479 (2022).

32. Xie, H. و همکاران. Magnetization switching in polycrystalline Mn₃Sn thin film induced by self-generated spin-polarized current. Nat. Commun. 13, 5744 (2022).

33. Zheng, Z. و همکاران. Effective electrical manipulation of a topological antiferromagnet by orbital torques. Nat. Commun. 15, 745 (2024).

34. Sugimoto, S. و همکاران. Electrical nucleation, displacement, and detection of antiferromagnetic domain walls in the chiral antiferromagnet Mn₃Sn. Commun. Phys. 3, 111 (2020).

35. Wu, M. و همکاران. Current-driven fast magnetic octupole domain-wall motion in noncollinear antiferromagnets. Nat. Commun. 15, 4305 (2024).

36. Sakamoto, S. و همکاران. Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal. Nat. Nanotechnol. 20, 216–221 (2025).

37. Yamada, S. و همکاران. Observation of electrical fast switching in the antiferromagnet Mn₃Sn. Meeting Abstracts Phys. Soc. Jpn 16aSK314-8, 1288 (2025).

38. Krishnaswamy, G. K. و همکاران. Time-dependent multistate switching of topological antiferromagnetic order in Mn₃Sn. Phys. Rev. Appl. 18, 024064 (2022).

39. Takeuchi, Y. و همکاران. Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet by spin–orbit torque. Nat. Mater. 20, 1364–1370 (2021).

40. Yan, G. Q. و همکاران. Quantum sensing and imaging of spin–orbit-torque-driven spin dynamics in the non-collinear antiferromagnet Mn₃Sn. Adv. Mater. 34, 2200327 (2022).

41. Yoon, J.-Y. و همکاران. Handedness anomaly in a non-collinear antiferromagnet under spin–orbit torque. Nat. Mater. 22, 1106–1113 (2023).

42. Shukla, A., Qian, S. & Rakheja, S. Order parameter dynamics in Mn₃Sn driven by d.c. and pulsed spin–orbit torques. APL Mater. 11, 091110 (2023).

43. Xu, Z. و همکاران. Deterministic spin-orbit torque switching including the interplay between spin polarization and kagome plane in Mn₃Sn. Phys. Rev. B 109, 134433 (2024).

44. Pal, B. و همکاران. Setting of the magnetic