2차원 자성 물질에서 나타나는 다중-Q(multi-Q) 자기 구조는 스커미온(Skyrmion)과 같은 위상학적 스핀 질서를 탐구할 수 있는 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있습니다. 그러나 이러한 위상적 상태를 전기적으로 능동 제어한 사례는 지금까지 극히 드물었습니다.

박제근 교수 연구진은 박리가 가능한 2차원 반강자성 금속 CoxTaS2를 기반으로 나노 소자를 제작하고, 게이트 전압 조절을 통해 이상 홀 효과(Anomalous Hall effect)로 드러나는 triple-Q 상태를 전기적으로 제어하는 데 성공하였습니다. 특히, Co 농도가 다른 여러 샘플에서 전기적 방법만으로 triple-Q 상태를 안정화하거나 억제할 수 있음을 실험적으로 입증하였습니다.

또한 triple-Q와 single-Q 상태 사이에 존재하는 단열불연속성(adiabatic discontinuity)을 이상 홀 효과 측정을 통해 규명하고, ARPES 실험으로 페르미 준위 근처 전자 구조 변화를 확인함으로써 전자 밀도와 위상학적 자기 질서 간의 밀접한 연관성을 밝혔습니다.

이번 연구는 반강자성 금속에서 위상적 스칼라 스핀 카이랄리티를 전기적으로 제어한 세계 최초의 사례로, 차세대 스핀트로닉스 소자 및 위상 물질 응용에 새로운 가능성을 제시한 중요한 성과입니다.

Electrical control of topological 3Q state in intercalated van der Waals antiferromagnet Co_x-TaS₂

Abstract: Van der Waals (vdW) magnets have opened a new avenue of opportunities encompassing various interesting phases. Co1/3TaS2–an intercalated metallic vdW antiferromagnet–is one of the latest additions to this growing list of materials due to its unique topologically nontrivial triple-Q (3Q) ground state. This 3Q tetrahedral structure, which critically depends on the Co content, yields the highest-density Skyrmion lattice with scalar spin chirality, resulting in a noticeable anomalous Hall effect. In this work, we demonstrate control of this topological phase via ionic gating. Using four CoxTaS2 devices with different Co compositions, we show that ionic gating can cover the entire 3Q topological phase and reveal the nature of the thermodynamically inaccessible phase space. Another striking finding in our data is the existence of an adiabatic discontinuity in the phase boundary between the 3Q and 1Q phases. Our work constitutes one of the first examples of electrical control of scalar spin chirality using an antiferromagnetic metal.

참여연구원: 김정현, Kai-Xuan Zhang, 박평제, 조웅희, 김현철, 박제근

Link: https://rdcu.be/eJ0fT