서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[이유진 박사/박제근 교수] 반데르발스 반강자성체 NiPS3 자기도메인 열적요동 연구 (Nano Letters 논문 게재)

2024-05-09l 조회수 749

Imaging thermally fluctuating Néel vectors in van der Waals antiferromagnet NiPS3

자성 반데르발스 연구는 박제근 교수 연구실이 2016년 세계 최초로 개척한 새로운 분야이다. 이 논문에서는 반강자성 반데르발스 물질의 자기구역을 실시간으로 측정했다. 반강자성체는 강자성체의 기가헤르츠 속도보다 천 배 빠른 테라헤르츠 수준의 스핀 동역학 속도를 가지며, 외부 자기장에 의해 자기 상태가 쉽게 변하지 않는 내구성을 가진다. 이러한 특성으로 최근에는 강자성체에 이어 새로운 스핀트닉스 장치의 재료로 주목받고 있다. 특히 반강자성체의 자성 도메인과 도메인벽은 자기 메모리 장치의 핵심 구성 요소가 될 수 있다.

하지만, 반강자성체의 매우 작은 자기 신호로 인해 반강자성체의 자기 도메인을 관측하는 것은 여전히 어려운 문제이다. 이번 연구에서는 엑스선 광전자 방출 현미경을 사용하여 반데르발스 반강자성체인 NiPS3의 반강자성 도메인의 온도에 따른 실공간 이미지를 관측하였다. 그 결과 닐 온도 아래 비교적 높은 온도에서는 다중 반강자성 도메인들이 존재했지만, 온도가 낮아지면서 단일 도메인으로 합쳐지는 현상을 발견했다. 또한 NiPS3의 약한 자기 이방성으로 인해 닐 온도 아래의 비교적 높은 온도에서는 다중 도메인이 형성될 수 있음을 확인하였다.

Abstract: Studying antiferromagnetic domains is essential for fundamental physics and potential spintronics applications. Despite its importance, few systematic studies have been performed on van der Waals (vdW) antiferromagnets (AFMs) domains with high spatial resolutions, and direct probing of the Néel vectors remains challenging. In this work, we found a multidomain in vdW AFM NiPS3, a material extensively investigated for its exotic magnetic exciton. We employed photoemission electron microscopy combined with the X-ray magnetic linear dichroism (XMLD-PEEM) to image the NiPS3's magnetic structure. The nanometer-spatial resolution of XMLD-PEEM allows us to determine local Néel vector orientations and discover thermally fluctuating Néel vectors that are independent of the crystal symmetry even at 65 K, well below Néel temperature of 155 K. We demonstrate a Ni ions' small in-plane orbital moment anisotropy is responsible for the weak magneto-crystalline anisotropy.  

참여연구원: 이유진, 김채빈, 손수한, 최경원, 박기웅, Kai-Xuan Zhang