Suppression of magnetic ordering in XXZ-type antiferromagnetic monolayer NiPS3 /

‘2차원 물질과 같은 복잡한 물리적 시스템의 특정 바닥 상태가 어떻게 나타나는가?’는 응집 물질 물리학의 근본적인 질문이다. 특히 흥미로운 대상은 2차원 XY-타입 자성 해밀토니안을 가지는 물질이다. 이러한 물질에서는 기존의 자기 질서 변수(magnetic order parameter)가 2차원에서 불안정하여 일반적인 자기 상전이를 가지지 못하지만, BKT 상전이로 잘 알려진 특이한 형태의 상전이를 겪는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 2차원 자성 반데르발스 물질인 NiPS3의 XXZ-타입 반강자성 정렬이 시료의 두께 의존성을 관찰하였고, 궁극적으로 단분자층에서 자기 정렬이 사라짐을 관측했다. 이 실험 데이터는 그 동안 재규격화군 이론 (renormalization-group theory) 등에서 예측되었던 것과 잘 일치하며, XXZ 모델이 낮은 온도에서 XY 모델로 잘 근사됨을 보여준다. 이번 연구는 XY 자성 모델을 원자 단위의 얇은 물질을 이용해 관찰한 최초의 결과이며, 자성 반데르발스 물질을 이용하여 자성의 근본적인 이론을 활용할 수 있는 기회를 제공한다. 이번 연구는 서강대학교 정현식 교수 연구팀과 공동연구로 이루어졌다.

How a certain ground state of complex physical systems emerges, especially in two-dimensional materials, is a fundamental question in condensed-matter physics. A particularly interesting case is systems belonging to the class of XY Hamiltonian where the magnetic order parameter of conventional nature is unstable in two-dimensional materials leading to a Berezinskii−Kosterlitz−Thouless transition. Here, we report how the XXZ-type antiferromagnetic order of a magnetic van der Waals material, NiPS3, behaves upon reducing the thickness and ultimately becomes unstable in the monolayer limit. Our experimental data are consistent with the findings based on renormalization-group theory that at low temperatures a two-dimensional XXZ system behaves like a two-dimensional XY one, which cannot have a long-range order at finite temperatures. This work provides the experimental examination of the XY magnetism in the atomically thin limit and opens opportunities of exploiting these fundamental theorems of magnetism using magnetic van der Waals materials.

참여 연구원: 이성민, 김태윤, 박기수, 박철환, 박제근 (이 연구는 서강대학교 정현식 교수 연구팀과 공동연구임)

Nature Communications 온라인 게재
Doi:10.1038/s41467-018-08284-6
http://weekly.chosun.com/client/news/viw.asp?ctcd=C02&nNewsNumb=002542100018