電流による反強磁性体の超高速磁化スイッチングを 時間分解イメージング測定で可視化~ノンコリニア反強磁性体の100ピコ秒級の高速反転過程を解明~

2025-12-04 東京大学

東京大学の研究チームは、ノンコリニア反強磁性体 Mn₃Sn において、100ピコ秒級の電流パルスによる超高速磁化反転過程を世界で初めて時間分解可視化することに成功した。フェムト秒レーザーを用いた磁気光学カー効果イメージングにより、電流密度が低い場合にはスピン軌道トルクによる非熱的な高速反転が生じ、高い場合にはジュール熱が磁気秩序を一時的に融解させる熱的反転に切り替わることを直接確認した。Mn₃Sn の磁化(磁気八極子)は微小ながら電流反転可能であり、今回の成果は反強磁性体を用いたテラヘルツ帯動作の超高速スピントロニクスメモリ実現に向けた基盤となる。従来議論されていた反転機構の未解明点を解決し、今後は単結晶化やナノデバイス化により、さらなる高速・低電流化が期待される。

電流による反強磁性体の超高速磁化スイッチングを 時間分解イメージング測定で可視化~ノンコリニア反強磁性体の100ピコ秒級の高速反転過程を解明~
高速電流パルスによる反強磁性体Mn₃Snの磁化制御の概念図

<関連情報>

反強磁性ワイル半金属における非熱的電流誘起スイッチングの超高速時間分解観測 Ultrafast time-resolved observation of non-thermal current-induced switching in an antiferromagnetic Weyl semimetal

Kazuma Ogawa,Hanshen Tsai,Naotaka Yoshikawa,Takumi Matsuo,Yutaro Tsushima,Mihiro Asakura,Hanyi Peng,Takuya Matsuda,Tomoya Higo,Satoru Nakatsuji & Ryo Shimano
Nature Materials  Published:04 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02402-8

Abstract

Antiferromagnets have gained a growing interest for next-generation spintronic applications. Among them, the antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn stands out because of its electrical and magnetic properties driven by its non-collinear spin structure at room temperature. Despite research progress on the current-induced switching of the magnetic octupole in Mn3Sn, the ultrafast switching inherent to the antiferromagnet remains to be resolved, and the underlying mechanism is yet elusive. Here we measure the spatiotemporally resolved current-induced switching dynamics in polycrystalline Mn3Sn films using ultrafast magneto-optical Kerr effect imaging, with current pulses as short as 140 ps. Our results directly reveal two distinct switching regimes depending on the intensity and duration of the current pulse: a non-thermal process that does not require the transient melting of antiferromagnetic order, and a temperature-assisted process that relies on heating above the magnetic ordering temperature. Our work highlights the potential of Mn3Sn towards ultrafast magnetic recording devices.

0403電子応用
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