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Department of Physics & Astronomy

[한성수 학생, 손병민 박사, 노태원, 김창영 교수] 루티늄 산화물에서 이중 강자성 관측 (Physical Review Letters 논문 게재)

2021-12-16l 조회수 511

“Observation of Spin-Dependent Dual Ferromagnetism in Perovskite Ruthenates”

본 연구는 세계 최초로 Dual Ferromagnetism (Local + Itinerant)을 일으키는 전자 거동의 실험적 증거를 발견했다. 보편적으로 고체의 강자성을 이해하기 위해서 전자가 local 또는 itinerant 하다고 분리하여 생각하고 있다. 하지만 실제로 강자성체 내 전자는 local 및 itinerant한 특성을 모두 가지고 있으며, 두 성질 모두 고체의 자기 특성에 관여한다. 이번 연구에서는 각도분해 광전자분광 (ARPES) 및 스핀-각도분해 광전자분광 (SARPES) 기법을 이용하여, Dual Ferromagnetism 을 띈다고 예측되는 물질인 SrRuO3 (SRO) 박막의 전자구조 측정을 통한 자성 연구를 수행하였다. 측정된 밴드 구조로부터 페르미 레벨 근처에서 스핀이 서로 밴드들이 존재함을 알 수 있었다. 특히, 페르미 레벨 근처에서는 측정된 밴드의 스핀 분극이 운동량에 따라 많이 변하나, 페르미 레벨에서 멀리 떨어진 높은 에너지 영역에서는 스핀 분극이 운동량에 무관하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 또한, 이러한 결과를 DMFT 계산 결과와 비교해 보면, 상당히 일치함을 알 수도 있었다. 이러한 결과를 통하여 Majority 스핀 밴드의 경우 전자가 localize되어 있으나, minority 스핀 밴드의 경우 itinerant하다는 것을 알 수 있었다. 이번 연구의 결과는 강자성체 내 복잡한 전자 거동의 이해에 매우 중요한 출발점이 될 것으로 기대된다.

We performed in situ angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and spin-resolved ARPES (SARPES) experiments to investigate the relationship between electronic band structures and ferromagnetism in SrRuO3 (SRO) thin films. Our high quality ARPES and SARPES results show clear spin-lifted band structures. The spin polarization is strongly dependent on momentum around the Fermi level, whereas it becomes less dependent at high-binding energies. This experimental observation matches our dynamical mean-field theory results very well. As temperature increases from low to the Curie temperature, spin-splitting gap decreases and band dispersions become incoherent. Based on the ARPES study and theoretical calculation results, we found that SRO possesses spin-dependent electron correlations in which majority and minority spins are localized and itinerant, respectively. Our finding explains how ferromagnetism and electronic structure are connected, which has been under debate for decades in SRO.

Authors: Sungsoo Hahn#, Byungmin Sohn#, Minjae Kim*, Jeong Rae Kim, Soonsang Huh, Younsik Kim,
Wonshik Kyung, Minsoo Kim, Donghan Kim, Youngdo Kim, Tae Won Noh, Ji Hoon Shim, and Changyoung Kim*
 
Publication date: 15 December 2021