Spin texture induced by non-magnetic doping and spin dynamics in 2D triangular lattice antiferromagnet h-Y(Mn,Al)O3

불순물은 응집물질물리 연구에서 피할 수 없는 문제이다. 이는 자성체도 예외가 아니고, 따라서 불순물이 물질의 자성(magnetic property)에 어떤 영향을 주는지 이해하는 것은 중요한 연구 주제 중 하나이다. 그 중에서도, 쩔쩔매는 자성체(frustrated magnet)내의 불순물은 일반적인 자성체에서와는 달리 아주 특이한 현상들을 유발한다. 일례로, 쩔쩔매는 자성체에서는 불순물에 의한 국소적인 스핀 배열의 변화가 불순물로부터 아주 먼 거리까지 전달되어, 마치 스커미온(Skyrmion)과 같은 거대한 스핀구조체(spin texture)가 형성된다는 이론적 제안이 있는데, 이는 아직 실험으로 확인된 적이 없었다. 본 연구에서는 삼각격자 반강자성체인 h-YMnO3에 비자성(non-magnetic) 원소인 알루미늄(Al)을 도핑하여 이러한 상황을 구현하고, h-Y(Mn,Al)O3 단결정의 스핀 동역학을 비탄성 중성자산란(inelastic neutron scattering)을 통해 관측하였다. 그 결과, 알루미늄 불순물이 유발하는 마그논 붕괴(magnon decay)가 특이한 운동량 의존성(Q-dependence)을 가짐을 확인하였다. 또한 이론 계산을 통하여, 불순물에 의해 형성된 스핀 구조체가 일으키는 마그논 붕괴가 관측한 마그논 붕괴와 동일한 운동량 의존성을 가짐을 입증하였다. 이는 쩔쩔매는 자성체에서 불순물로부터 거대한 스핀 구조체가 형성될 수 있음을 보인 첫 실험 결과로, 쩔쩔매는 자성체 내에서의 불순물 효과를 전반적으로 이해하는 데 큰 도움이 될 것이다.

Abstract: Novel effects induced by nonmagnetic impurities in frustrated magnets and quantum spin liquid represent a highly nontrivial and interesting problem. A theoretical proposal of extended modulated spin structures induced by doping of such magnets, distinct from the well-known skyrmions has attracted significant interest. Here, we demonstrate that nonmagnetic impurities can produce such extended spin structures in h-YMnO3, a triangular antiferromagnet with noncollinear magnetic order. Using inelastic neutron scattering (INS), we measured the full dynamical structure factor in Al-doped h-YMnO3 and confirmed the presence of magnon damping with a clear momentum dependence. Our theoretical calculations can reproduce the key features of the INS data, supporting the formation of the proposed spin textures. As such, our study provides the first experimental confirmation of the impurity-induced spin textures. It offers new insights and understanding of the impurity effects in a broad class of noncollinear magnetic systems.

참여 연구원: 박평제, 박기수, 오주성, 이기훈, J. C. Leiner, 심하성, 김태훈, 정재홍, 박제근

Nature Communications 12, 2306 (2021)

Link1: https://www.nature.com/articles/s41467-021-22569-3.epdf