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Department of Physics & Astronomy

[박평제 박사/박제근 교수] 삼각격자 금속 반강자성체에서 이론적 최고밀도를 가지는 스커미온 격자 발견 (Nature Communications 논문 게재)

2023-12-15l 조회수 930

Tetrahedral triple-Q magnetic ordering and large spontaneous Hall conductivity in the metallic triangular antiferromagnet Co1/3TaS2

스커미온(sykrmion)은 자기정렬벡터 세 개의 중첩으로 나타나는 복잡한 거대자기구조로(= triple-Q magnetic structure), 자기 모멘트 배열의 texture가 위상학적 특성을 지녀 자성 이론 및 응용 양쪽 모두에서 활발한 연구가 이루어지고 있는 주제이다. 본 연구에서는 벌크 물성 측정, 탄성/비탄성 중성자 산란, 각도분해 광전자 분광(ARPES) 실험과 여러 이론 계산을 수행하여 금속 삼각격자 자성체 Co1/3TaS2에서 tetrahedral triple-Q magnetic ordering 이라고 불리는, 이론적으로 가능한 최고 밀도의 스커미온 자기구조가(결정학적 unit cell 1개당 Skyrmion 1) 나타남을 확인하였다. 기존에 다른 물질들에서 보고된 스커미온들과 다르게, 이 구조는 Co1/3TaS2에서 외부 자기장이 없이도 발생하여 자발적인 위상학적 홀 효과 (spontaneous topological Hall effect)를 유발한다. 또한 이러한 스커미온 자기구조가 Co1/3TaS2에서 발현되는 메커니즘을 triangular Kondo lattice model을 통해 제시하였고, 해당 메커니즘이 요구하는 Fermi surface의 형태가 ARPES로 측정한 Co1/3TaS2Fermi surface와 일치함을 확인하였다. 더 나아가, 본 연구에서 발견한 스커미온 구조를 설명하는 스핀 해밀토니안 (spin Hamiltonian)을 제시하였으며, 해당 모델을 기반으로 계산한 마그논 스펙트럼이 측정된 비탄성 중성자 산란 실험 결과와 잘 일치하는것을 입증하였다.

The triangular lattice antiferromagnet (TLAF) has been the standard paradigm of frustrated magnetism for several decades. The most common magnetic ordering in insulating TLAFs is the 120° structure. However, a new triple-Q chiral ordering can emerge in metallic TLAFs, representing the short wavelength limit of magnetic skyrmion crystals. We report the metallic TLAF Co1/3TaS2 as the first example of tetrahedral triple-Q magnetic ordering with the associated topological Hall effect (non-zero σxy(H=0)). We also present a theoretical framework that describes the emergence of this magnetic ground state, which is further supported by the electronic structure measured by angle-resolved photoemission spectroscopy. Additionally, our measurements of the inelastic neutron scattering cross section are consistent with the calculated dynamical structure factor of the tetrahedral triple-Q state.

참여 연구원: 박평제, 조웅희, 김채빈, 안여찬
Nature Communications 온라인 게재