[손수한 박사, 김정현, 황인호, 박제근 교수] 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태 발견 (Nature Communications 논문 게재)
엑시톤은 전자-정공 쌍으로 이루어진 고체의 집단들뜸으로 다양한 절연체에서 발견된다. 이런 엑시톤은 처음부터 강한 상관작용상태에서 만들어지는데, 궤도 자유도 등과 결합하는 경우는 매우 드물기 때문에, 최근 학계의 많은 관심을 끌고 있다. 이런 새로운 엑시톤 상태를 비평형적으로 조작할 경우, 열역학적인 평형상태에서 발견되지 않는 새로운 물질의 상태를 발견할 수 있는 유망한 플랫폼을 제공한다. 이 연구에서 우리는 van der Waals 상관 절연체 NiPS3에서 양자적으로 얽힌 상태인 엑시톤을 빛을 사용하여 여기시겼다. 이렇게 만들어진 엑시톤들의 물성을 테라 헤르츠 전도도의 시간 변화를 관찰하여 엑시톤의 분리에 의해 생성된 전도전자 상태의 공존을 관찰할 수 있었다. 이 연구에서 가장 큰 발견은 이런 엑시톤들의 상호작용에 의한 장파장 반강자성 마그논과 일시적인 금속 상태의 출현이다. 이 연구를 통하여 자성의 엑시톤의 광학 조작이 가능함을 보였다. 이를 활용할 경우, 엑시톤과 스핀이 얽혀있는 새로운 유형의 소자 개발 등에 사용될 것으로 기대되며 응용물리 및 광전자공학 분야에 새로운 가능성을 제시했다는데 그 의의가 있다.
Abstract: Collective excitations of bound electron-hole pairs—known as excitons—are ubiquitous in condensed matter, emerging in systems as diverse as band semiconductors, molecular crystals, and proteins. Recently, their existence in strongly correlated electron materials has attracted increasing interest due to the excitons’ unique coupling to spin and orbital degrees of freedom. The non-equilibrium driving of such dressed quasiparticles offers a promising platform for realizing unconventional many-body phenomena and phases beyond thermodynamic equilibrium. Here, we achieve this in the van der Waals correlated insulator NiPS3 by photoexciting its newly discovered spin–orbit-entangled excitons that arise from Zhang-Rice states. By monitoring the time evolution of the terahertz conductivity, we observe the coexistence of itinerant carriers produced by exciton dissociation and a long-wavelength antiferromagnetic magnon that coherently precesses in time. These results demonstrate the emergence of a transient metallic state that preserves long-range antiferromagnetism, a phase that cannot be reached by simply tuning the temperature. More broadly, our findings open an avenue toward the exciton-mediated optical manipulation of magnetism.
참여 연구원: 손수한, 김정현, 황인호, 박제근
Nature Communications 온라인 게재 https://doi.org/10.1038/s41467-021-25164-8
Link1: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25164-8.epdf