2차원 자성 물질에서 나타나는 복잡한 스핀 배열—특히 다중 Q(multi-Q) 자기 구조—는 스커미온(Skyrmion)과 같은 위상적 스핀 텍스처를 구현할 수 있는 유망한 플랫폼으로 주목받고 있습니다. 이러한 위상적 상태는 향후 스핀트로닉스 기술의 핵심으로 간주되지만, 기존의 회절 기반 실험으로는 이를 위상적으로 평범한 상태들과 구별하기 어려운 난제가 있었습니다.
이번 연구에서는 이 문제를 해결할 수 있는 보편적이고 물질 독립적인 동역학적 지표를 제안하고 실험적으로 검증하였습니다. 이 지표는 바로 스핀파(spin wave)의 전파 속도입니다. 이론적으로 삼각형 격자를 기반으로 한 2차원 자석에서, 위상적 triple-Q 상태에서는 스핀파가 모든 방향으로 거의 동일한 속도로 퍼지는 반면, 위상적으로 평범한 상태(single- or double-Q)에서는 방향에 따라 속도가 크게 달라진다는 점을 밝혔습니다.
이 논문에서는 앞에서 언급한 이론을 2차원 자성 물질인 Co1-3-TaS2에서 실험적으로 검증했습니다. 이 물질은 온도에 따라 위상적 triple-Q 상태와 비위상적 single-Q 상태 사이를 오가는 독특한 특성을 가지고 있으며, 중성자 산란 실험을 통해 예측된 등방적/이방적 스핀파 속도 특성을 각각 확인함으로써 제안된 지표의 타당성을 입증했습니다.
이 연구는 특정 물질에 국한되지 않고, 2차원 자성체 전반에 걸쳐 위상적 스핀 구조를 식별할 수 있는 새로운 진단 도구를 제시한 것으로, 향후 관련 물질의 탐색과 스핀 기반 소자의 개발에 중요한 이정표가 될 것입니다.
Spin Dynamics of Triple-Q Magnetic Orderings in a Triangular Lattice: Implications for Multi-Q Orderings in General Two-Dimensional Lattices
Abstract: Multi-Q magnetic structures on two-dimensional (2D) lattices provide a key route to realizing topological physics in 2D magnetism. A major experimental challenge is to unambiguously confirm their formation by excluding the possibility of topologically trivial multidomain single- or double-Q magnetic orders, which cannot be distinguished using conventional diffraction techniques. Here, we propose that long-wavelength spin dynamics offers a universal diagnostic for triangular lattices: Triple-Q orders that preserve rotational symmetry and single- or double-Q orders that break it exhibit qualitatively distinct anisotropies in their Goldstone-mode velocities, stemming from fundamental differences in their underlying spin configurations. We validate this concept using the metallic triangular-lattice antiferromagnet Co0.325TaS2, which hosts both a stripe-type single-Q state and a triple-Q tetrahedral ordering at different temperatures. Using inelastic neutron-scattering and spin dynamics simulations, we first refine the spin Hamiltonian by fitting the paramagnetic excitation spectra, allowing us to develop an unbiased model independent of magnetic ordering. We then show that the observed velocity profiles of the Goldstone modes agree with the high-temperature model’s predictions: markedly anisotropic for the single-Q phase and near isotropic for the triple-Q phase. Importantly, this contrast persists across various exchange parameters, highlighting its model-independent nature and suggesting potential applicability to other 2D lattice systems. Beyond the long-wavelength regime, we present a substantial discrepancy between the measured and simulated magnon spectra exclusively in the triple-Q phase. We attribute this discrepancy to magnon energy renormalization arising from order-of-magnitude-enhanced magnon-magnon interactions in the triple-Q phase, due to its noncollinear configuration. This work provides universal insight into the dynamical properties of topological multi-Q magnetic orderings in 2D lattice structures, offering a broadly applicable diagnostic to distinguishing them from topologically trivial single- or double-Q counterparts. The unequivocal confirmation of the triple-Q structure in Co0.325TaS2 further establishes it as a prominent material platform for exploring topological spin textures in the genuine 2D limit.
참여연구원: 박평제, 조웅희, 김채빈, 안여찬, 박제근
Link: https://link.aps.org/doi/10.1103/y9ly-4kld
