서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[Kaixuan Zhang 박사/김현철 학생/박제근 교수] 나선형 반데르발스 반강자성 제어(Physical Review Letters: Editor's Suggestion, Featured in Physics)

2025-04-30l 조회수 230

Current control of helical spin texture in 2D van der Waals antiferromagnet

스핀의 전기적 제어는 스핀트로닉스 연구에서 필수적인 요소이다. 초기 연구는 강자성 상태의 스핀 제어에 집중하였으나, 이후 정렬된 반강자성 (colinear antiferromagnetism)과 비정렬 반강자성 (noncolinear antiferromagnetism)의 스핀 제어로 확장되었다. 하지만 비정렬 반강자성에서 스핀의 전기적 제어 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았다. 본 연구는 새로운 반데르발스 물질인 Ni₁/₃NbS₂에서 나선형 반강자성의 전기적 제어가 가능함을 실험 및 이론적으로 최초 보고한다. 본 물질은 정렬된 반강자성 교환 상호작용과 층간 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용에 의해 형성되는 나선형 반강자성의 스핀 구조를 가지고 있다. 또한, 본질적으로 반전 대칭이 깨져 있기에 평면 내 전류가 spin-orbit torque (SOT)를 유발하며, 이는 나선형 반강자성 정렬과 직접적으로 상호작용한다. 이론적 분석 결과 DM 상호작용으로 인해 약한 강자성 정렬이 공존하며, 이 약한 강자성이 SOT를 매개하여 나선형 반강자성 스핀 정렬을 집단적으로 회전시키는 역할을 함을 보인다. Ni₁/₃NbS₂ 기반 나노소자 실험에서는 인가하는 전류에 따른 저항 변화가 이론적 예측과 일치하는 결과를 나타낸다. 본 연구는 나선형 반강자성의 전기적 제어에 대한 이해를 확장하며, 반데르발스 자성체가 전기적 제어를 위한 흥미로운 물질 플랫폼으로 활용될 가능성을 제시한다.

Abstract: Electrical control of quantum magnetic states is essential in spintronic science. Initial studies on the ferromagnetic state control were extended to collinear antiferromagnets and, more recently, noncollinear antiferromagnets. However, electrical control mechanisms of such exotic magnetic states remain poorly understood. Here, we report the first experimental and theoretical example of the current control of helical antiferromagnets, arising from the competition between collinear antiferromagnetic exchange and interlayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction in new van-der-Waals (vdW) material Ni­1/3NbS2. Due to the intrinsic broken inversion symmetry, an in-plane current generates spin-orbit torque that, in turn, interacts directly with the helical antiferromagnetic order. Our theoretical analyses indicate that a weak ferromagnetic order coexists due to the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, mediating the spin-orbit torque to collectively rotate the helical antiferromagnetic order. Our Ni­1/3NbS2 nanodevice experiments produce current-dependent resistance change consistent with the theoretical prediction. This work widens our understanding of the electrical control of helical antiferromagnets and promotes vdW quantum magnets as interesting material platforms for electrical control.

참여연구원: Kai-Xuan Zhang, 김현철, 박평제, 안여찬, 손수한, Jingyuan Cui, 박제근

Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.176701