Pulsed thermal annealing enables switching of chiral antiferromagnetic order with a sub-millitesla field in Mn$_3$Sn

技术摘要：脉冲退火实现 Mn3Sn 手性反铁磁序的翻转

问题陈述
操纵反铁磁（AFM）序是现代自旋电子学的核心目标，其优势包括超快动力学、无杂散场以及对外部扰动的鲁棒性。在反铁磁候选材料中，手性反铁磁 Mn3Sn 尤为引人注目，因其在 Kagome 晶格上具有非共线的 120°自旋结构，从而产生团簇磁八极子序。该序破缺了时间反演对称性，在无净磁化的情况下于室温产生巨大的反常霍尔效应（AHE）。尽管八极子矢量可通过电学方式翻转，但这一过程中的一个关键方面——热软化——却常被忽视。在许多自旋力矩驱动的翻转实验中，所需的高电流密度（$10^7$ A/cm$^2$）不可避免地会产生显著的焦耳热。随着温度接近奈尔温度（$T_N \approx 425$ K），钉扎八极子序的磁各向异性减弱。高于 $T_N$ 时，磁序被擦除，重取向势垒消失。尽管这一机制的物理图景清晰，但在近期文献中，特别是聚焦于自旋 - 轨道力矩（SOT）的研究中，其在弱场实现翻转中的具体作用尚未被充分隔离或讨论。

方法论
为了将热软化作用从自旋力矩效应中分离出来，作者在高质量的 Mn3Sn 块体单晶上进行了受控实验。

• 样品制备：采用布里奇曼 - 斯托克巴杰法生长 Mn3Sn 单晶，并通过劳厄衍射进行定向。
• 实验装置：样品通过绝缘胶安装在电阻加热芯片上，确保加热电流不直接通过样品本身。直接附着在样品上的 E 型热电偶用于监测温度，而铜圆柱体则作为散热器以实现快速冷却。
• 测量方案：使用标准的四探针构型，结合面内磁场和面外电流，测量霍尔电阻率（$\rho_{zy}$）。实验在物理性能测量系统（PPMS）中进行，基底温度为 250 K。
• 脉冲热退火：核心实验步骤包括将样品加热至 438 K（高于 $T_N$）并保持 10 秒，以确保热平衡并擦除磁序。随后，在微小静态外磁场（范围从 0.1 mT 到 0.6 mT）存在下对样品进行冷却。这种方法将热效应与自旋力矩效应解耦，使作者能够确定仅通过热软化实现最终磁态设定所需的最小磁场。

主要结果

1. 阈值场依赖性：在不同温度下对 AHE 磁滞回线的系统测量表明，翻转八极子序所需的阈值场（$B_0$）随温度升高而单调递减。$B_0$ 在 $T_N \approx 425$ K 处外推为零，证实热能逐步降低翻转能垒直至其消失。
2. 亚毫特斯拉场下的翻转：脉冲热退火实验表明，将样品加热至 $T_N$ 以上并在微小磁场中冷却，可实现磁八极子序的可靠翻转。
   • $\pm 0.4$ mT 的冷却场导致加热过程中序的完全抑制，并在冷却后完全恢复，其符号与冷却场一致。
   • 翻转率曲线极为陡峭：$\pm 0.3$ mT 的场即可产生近饱和翻转（最大 AHE 的 >90%），甚至 $\pm 0.1$ mT 也能实现约 70% 的翻转率。
   • 至关重要的是，翻转过程对磁场循环历史无磁滞；最终状态仅取决于冷却期间施加场的符号。
3. 跨越 $T_N$ 的必要性：对比实验显示，在 409 K（低于 $T_N$）下进行退火并施加 0.2 mT 的冷却场，未能实现序的翻转。相反，原始取向仅被部分衰减。这证实了跨越 $T_N$ 对于完全擦除磁序并允许弱场决定新取向至关重要。
4. 热模型：作者提供了一个简单的解析模型，用于估算电流脉冲下纳米器件中的瞬态温升（$\Delta T$）。
   • 对于连续薄膜，$\Delta T$ 受体电阻率限制，需要极高的电流密度（$J \gtrsim 10^8$ A/cm$^2$）或长脉冲才能达到 $T_N$。
   • 对于纳米器件（如纳米柱），其中接触电阻或隧道电阻占主导地位，模型预测中等电流密度（$J \sim 10^7$ A/cm$^2$）即可产生 $\Delta T \approx 1000$ K 的温升，轻松达到 $T_N$。

意义与主张
本文论证了热软化并非高电流操作的不利副作用，而是翻转手性反铁磁体的关键促成机制。

• 机制阐明：该工作确立了加热至 $T_N$ 以上可消除磁各向异性势垒，将重取向所需能量降低至接近零。这使得极弱的定向场（如自旋 - 轨道力矩产生的有效场）能够在冷却过程中决定最终磁态。
• SOT 的重新诠释：作者指出，在薄膜 SOT 器件中，自旋流不应被视为对抗完整各向异性势垒的唯一驱动力，而应被视为热辅助过程中的定向偏置。这一视角有助于解释为何某些 SOT 实验需要外场（加热不足），而其他实验则通过更长脉冲或更高电流取得成功（有效的热软化）。
• 设计指导：通过提供热模型，本文为器件设计提供了实用指南。文章建议未来的器件应有意识地设计热分布，以确保器件核心在写入脉冲期间达到 $T_N$。这种方法可实现低功耗、快速且可靠的全电学翻转，因为 SOT 有效场仅需提供适度的偏置，而无需克服完整的各向异性势垒。
• 结论：作者总结道，忽视热效应可能导致对翻转机制的误解。在 Mn3Sn 等手性反铁磁体中，热与自旋是合作伙伴而非对手，未来的工作必须同时考虑两者以实现最佳的器件性能。