[박평제 박사/김정현 박사/박제근 교수] 자성 반데르발스 NiPS3 낮은 에너지 마그논 직접 관찰 (ACS Nano 논문 게재)
Direct Observation and Analysis of Low-Energy Magnons with Raman Spectroscopy in Atomically Thin NiPS3
자성 반데르발스 물질은 2차원 자성체 연구에서 획기적인 전환이라고 평가되고 있다. 박제근 교수 연구실이 2016년 세계 최초로 개척한 이 분야는 학술적으로 뿐만 아니라 스핀트로닉스를 비롯한 새로운 응용연구에서도 중요한 역할을 하고 있다고. 이번 ACS Nano에 발표된 논문에서는 NiPS3라는 반강자성체 물질의 스핀파인 마그논을 단원자층까지 직접 측정한 성과를 보고하고 있다.
자성 반데르발스 물질은 2차원 자성체 연구에서 획기적인 전환이라고 평가되고 있다. 박제근 교수 연구실이 2016년 세계 최초로 개척한 이 분야는 학술적으로 뿐만 아니라 스핀트로닉스를 비롯한 새로운 응용연구에서도 중요한 역할을 하고 있다고. 이번 ACS Nano에 발표된 논문에서는 NiPS3라는 반강자성체 물질의 스핀파인 마그논을 단원자층까지 직접 측정한 성과를 보고하고 있다.
자성 반데르발스 물질이 발견된 이후 여러가지 물성을 단원자층까지 측정한 결과들은 있지만, 정작 자성 현상에서 중요한 마그논을 직접 측정한 결과는 없었다. 이 연구에서는 라만을 이용하여 낮은 에너지의 새로운 준입자를 발견하고 이를 비탄성 중성자 산란 연구와 직접 비교하여 이들 새 준입자들이 낮은 에너지의 마그논임을 명확히 보일 수 있었다. 그리고 라만 실험을 통해서 NiPS3 단원자층까지 이들 마그논을 측정할 수 있었다. 이 연구는 자성 반데르발스 연구에서 자성 현상을 연구하는 새로운 전기를 마련했다.
Abstract: Van der Waals (vdW) magnets have rapidly emerged as a fertile playground for novel fundamental physics and exciting applications. Despite the impressive developments over the past few years, technical limitations pose a severe challenge to many other potential breakthroughs. High on the list is the lack of suitable experimental tools for studying spin dynamics on atomically thin samples. Here, Raman scattering techniques are employed to observe directly the low-lying magnon (~1 meV) even in bilayer NiPS3. The unique advantage is that it offers excellent energy resolutions far better on low-energy sides than most inelastic neutron spectrometers can offer. More importantly, with appropriate theoretical analysis, the polarization dependence of the Raman scattering by those low-lying magnons also provides otherwise hidden information on the dominant spin-exchange scattering paths for different magnons. By comparing with highresolution inelastic neutron scattering data, these low-energy Raman modes are confirmed to be indeed of magnon origin. Because of the different scattering mechanisms involved in inelastic neutron and Raman scattering, this new information is fundamental in pinning down the final spin Hamiltonian. This work demonstrates the capability of Raman spectroscopy to probe the genuine two-dimensional spin dynamics in atomically-thin vdW magnets, which can provide novel insights that are obscured in bulk spin dynamics.
참여연구원: 박평제, 김정현