High-Temperature concomitant metal-insulator and spin-reorientation transitions in a compressed nodal-line ferrimagnet Mn3Si2Te6

위상 자성 반도체는 위상학적으로 비자명한 전자상태를 가짐과 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질로, 향후 스핀트로닉 분야에 원천 소재로 활용될 가능성 때문에 세계적인 주목을 받고 있다. 위상 자성 반도체는 위상학적 전자상태만이 전하 수송에 관여하여 기존 물질과는 다른 독특한 전자기적 물성들이 나타날 것으로 예측되었다. 하지만 위상 자성 반도체는 그 후보 물질이 매우 드물어 위상학적 전자상태와 스핀 물성의 관계에 대한 실험적 연구는 부족한 상황이다.
포스텍 김준성 교수·서울대 김기훈 교수 공동 연구팀은 위상 자성 반도체 Mn3Si2Te6에 외부 압력을 인가하여 위상학적 전자상태를 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도하는 실험을 진행하였다. 반도체-금속 상전이가 일어남에 따라 이상홀 효과가 급격히 커짐과 동시에 스핀의 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 현상을 관측하였다. 이는 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 상호작용으로 인해 압력으로 조절된 전자상태에 따라 스핀의 정렬 상태가 급격히 바뀌는 것을 의미한다. 이처럼 위상 자성 반도체에서 외부 변수 (압력)에 의한 위상학적 전자상태 조절을 통하여 스핀 재정렬 상전이가 일어나는 것을 직접적으로 관측한 것은 최초이다. 이 발견은 향후 위상자성 물질의 자성 물성 제어에 유용한 새로운 방법으로 응용될 수 있을 것이다.

저자: Resta A. Susilo*, Chang Il Kwon*, Yoonhan Lee* (서울대), Nilesh P. Salke, Chandan De, Junho Seo, Beomtak Kang, Russell J. Hemley, Philip Dalladay-Simpson, Zifan Wang, Duck Young Kim, Kyoo Kim, Sang-Wook Cheong, Han Woong Yeom, Kee Hoon Kim* (서울대) & Jun Sung Kim (포항공대)*

Abstracts: Symmetry-protected band degeneracy, coupled with a magnetic order, is the key to realizing novel magnetoelectric phenomena in topological magnets. While the spin-polarized nodal states have been identified to introduce extremely-sensitive electronic responses to the magnetic states, their possible role in determining magnetic ground states has remained elusive. Here, taking external pressure as a control knob, we show that a metal-insulator transition, a spin-reorientation transition, and a structural modification occur concomitantly when the nodal-line state crosses the Fermi level in a ferrimagnetic semiconductor Mn3Si2Te6. These unique pressure-driven magnetic and electronic transitions, associated with the dome-shaped Tc variation up to nearly room temperature, originate from the interplay between the spin-orbit coupling of the nodal-line state and magnetic frustration of localized spins. Our findings highlight that the nodal-line states, isolated from other trivial states, can facilitate strongly tunable magnetic properties in topological magnets.

Nat. Commun. 15, 3998 (2024)
doi: 10.1038/s41467-024-48432-9