2차원 자성 반데르발스 물질 연구는 2016년 서울대 박제근 교수가 세계 최초로 개척하여 현대 응집물질물리학 및 재료과학의 핵심 분야로 자리 잡았다. 이번 연구는 지금까지 2차원 자성체에서 알려지지 않았던 새로운 양자 상태인 ‘카이랄-네마틱(Chiral-Nematic)’ 상태를 발견한 내용입니다.

본 연구팀은 삼각형 격자 구조의 반강자성체인 Co1/3TaS2를 대상으로 연구를 진행했습니다. 미국 로스앨러모스 국립연구소 연구팀과 공동연구로 자기 원편광 이색성(MCD) 및 자기 선편광 이색성(MLD) 실험 방법을 사용했습니다. 그 결과, 온도와 자기장에 따라 카이랄성(Chirality)과 네마틱성(Nematicity)이 다양하게 조합된 '멀티-Q(Multi-Q)' 자기 상태가 존재함을 세계 최초로 입증했습니다.

이번 결과의 중요한 점은 2차원 물질에서 카이랄성과 네마틱성이 공존하는 독특한 물리상태를 발견했다는 것입니다. 앞으로 이 두 가지 성질이 공존하는 양자 상태를 제어함으로써 새로운 개념의 물리 현상을 규명하고, 이를 활용한 차세대 스핀 소자의 구현 가능성을 활짝 열었다는 점에서 학술적-산업적 의의가 매우 큽니다.

 

Tunable chiral and nematic states in the triple-Q antiferromagnet Co1/3TaS2

 

Complex spin configurations in magnetic materials, ranging from collinear single-Q to non-coplanar multi-Q states, exhibit rich symmetry and chiral properties. However, their detailed characterization is often hindered by the limited spatial resolution of neutron diffraction techniques. Here we employ magnetic circular dichroism and magnetic linear dichroism to investigate the triangular lattice antiferromagnet Co1/3TaS2, revealing three-state (Z3) nematicity and also spin chirality across its multi-Q magnetic phases. At intermediate temperatures, the presence of linear dichroism identifies nematicity arising from a single-Q stripe phase, while at high magnetic fields and low temperatures, a phase characterized solely by circular dichroism emerges, signifying a purely chiral non-coplanar triple-Q state. Notably, at low temperatures and small fields,we discover a unique phasewhere both chirality and nematicity coexist. A theoretical analysis based on a continuous multi-Q manifold captures the emergence of these distinctmagnetic phases, as a result of the interplay between four-spin interactions and weakmagnetic anisotropy. Additionally, both circular and linear dichroism microscopy spatially resolves the chiral and nematic domains. Our findings establish Co1/3TaS2 as a rare platform hosting diverse multi-Q states with distinct combinations of spin chirality and nematicity while demonstrating the effectiveness of polarized optical techniques in characterizing complex magnetic textures.

 

참여연구원: 박평제, 조웅희, 박제근

 

Link: https://www.nature.com/articles/s41467-026-68843-0