[박평제 박사/ 조웅희 학생/ 박제근 교수] Co1/3TaS2의 카이랄 스핀 구조와 전자 네마틱 상의 상관관계 규명- 자기장을 통한 비휘발성 네마틱 제어 메커니즘 제시 (Advanced Materials 논문 게재)
자성 이온이 삽입된 전이금속 황화물인 Co1/3TaS2 (이하 CTS)는 스핀 구조가 자발적으로 카이랄(chiral) 구조를 띠는 물질이다. 이 독특한 구조 덕분에 순자화(Net magnetization)가 거의 0인 상태에서도 커다란 홀 효과(Hall effect)가 나타나는 것으로 잘 알려져 있다. 최근 학계에서는 CTS에서 이러한 카이랄성과 전하 분포의 방향성을 뜻하는 전자 네마틱 상(Electronic nematicity)이 공존함을 확인했으나, 이 네마틱 상이 스핀 구조에서 비롯된 것인지, 혹은 독립적인 기원을 갖는지는 불명확했다.
이를 규명하기 위해 경북대 공동 연구팀과 함께 전기저항 및 토크 마그네토미터의 회전각 의존성을 측정하고, 이에 관한 미시적 스핀 모델 계산을 수행했다. 연구 결과, CTS의 전자 네마틱 상은 네마틱 정렬 방향과 나란하게 형성된 미세한 '약한 강자성 모먼트(Weak ferromagnetic moment)'를 통해 조절될 수 있음을 밝혀냈다. 특히 외부 자기장에 따른 토크 측정에서 나타난 독특한 이력곡선(Hysteresis) 개형은 자기장을 통해 네마틱 도메인의 재분포를 유도할 수 있으며, 이 상태를 비휘발적으로 각인할 수 있음을 보여준다. 공동 연구팀의 미시적 스핀 모델 계산 결과 역시 실험에서 관측된 토크 이력곡선 및 회전각 의존성 데이터를 정밀하게 재현했다.
추가적으로 연구팀은 이러한 약한 강자성 모먼트가 스핀 구조가 카이랄한 대칭성을 가질 때만 제한적으로 발현된다는 점을 확인했다. 결과적으로 물질 고유의 카이랄 스핀 구조가 갖는 약한 자기 모멘트가 전자 네마틱 상을 유도하고 제어하는 근본적인 메커니즘임을 실험과 이론 계산을 통해 증명한 것이다. 이번 연구는 대칭성이 깨진 양자 자성체 내 복합 위상의 상호작용을 이해하는 토대를 마련했으며, 향후 비휘발성 자성 소자 응용에 기여할 것으로 기대된다.
Unveiling the Correlation Between Chiral Spin Texture and Electronic Nematicity in Co1/3TaS2
Co1/3TaS2 (hereafter CTS), a magnetic ion-intercalated transition metal dichalcogenide, is well known for hosting a spontaneously chiral spin texture. Due to this unique structure, it exhibits a giant Hall effect even in a state where the net magnetization is nearly zero. Recently, a few research groups discovered that an 'electronic nematicity'—referring to the directional anisotropy of charge distribution—coexists with chirality in CTS. However, it remained unclear whether this nematic phase originates from the underlying spin texture or arises from an independent mechanism.
To address this question, a joint research team measured the rotational-angle dependence of electrical resistance and torque magnetometry and subsequently performed microscopic spin-model calculations. The results revealed that the electronic nematic phase in CTS can be controlled via a subtle 'weak ferromagnetic moment' that aligns parallel to the nematic ordering direction. Notably, the distinct hysteresis loop observed in the magnetic-field-dependent torque measurements demonstrates that an external magnetic field can induce a redistribution of nematic domains, allowing this state to be written in a non-volatile manner. The microscopic spin model calculations conducted by the joint research team precisely reproduced the experimental torque hysteresis and rotational angle dependence data.
Furthermore, the research team confirmed that this weak ferromagnetic moment emerges exclusively when the underlying spin texture possesses a chiral symmetry. Consequently, through a combination of experiments and theoretical calculations, the team successfully demonstrated that the material's chiral spin structure is the direct knob for controlling the electronic nematic phase. This study establishes a crucial foundation for understanding the interactions between complex phases in symmetry-broken quantum magnets and is expected to contribute to future applications in non-volatile magnetic devices.
참여연구원: 박평제, 조웅희, 박제근
Link: http://doi.org/10.1002/adma.202600020