[Kai-Xuan Zhang 박사/ 박제근 교수] 자성 반데르발스 위상물질 Fe3GeTe2에서 새로운 점대칭 깨짐 현상 발견 (Advanced Materials 논문 게재)
Broken inversion symmetry in van der Waals topological ferromagnetic metal iron germanium telluride
박제근 교수가 2016년 세계 최초로 개척한 자성 반데르발스 연구는 최근 세계적인 각광을 받고 있으며 재로과학계의 중요한 분야로 발전하고 있다. 지금까지 발견된 여러가지 자성 반데르발스 물질 가운데 Fe3GeTe2는 위상 강자성 금속으로 스핀트로닉스에 응용 가능성이 매우 높은 물질이다. 박제근 교수는 이 물질에서 기존의 자성체보다 100 배 높은 스핀-궤도 토오크를 발견하여 Adv. Materials 33, 2004110 (2021) 에 발표하였다. 박제근 교수 그룹은 이런 엄청난 발견이 왜 가능한 지에 대한 질문을 지난 2년 연구하였으며, 2024년 1월 1일자 Advanced Materials지에 온라인 게재된 이번 논문은 지난 2년 동안 이루어진 연구성과의 결과이다. 박제근 교수는 Second Harmonic Generation이라는 광학적 방법을 사용한 이번 성과에서 기존에 알려진 것과는 다른 점대칭 깨짐 현상이 이 물질에 있다는 것을 실험적으로 보일 수 있었다. 이번 연구 성과는 앞으로 Fe3GeTe2가 스핀트로닉스를 비롯한 다양한 응용에 사용되는 중요한 정보가 될 것이다.
Abstract: Inversion symmetry breaking is critical for many quantum effects and fundamental for spin-orbit torque, which is crucial for next-generation spintronics. Recently, a novel type of gigantic intrinsic spin-orbit torque has been established in the topological van-der-Waals (vdW) magnet iron germanium telluride. However, it remains a puzzle because no clear evidence exists for interlayer inversion symmetry breaking. Here, we report the definitive evidence of broken inversion symmetry in iron germanium telluride directly measured by the second harmonic generation (SHG) technique. Our data show that the crystal symmetry reduces from centrosymmetric P63/mmc to noncentrosymmetric polar P3m1 space group, giving the three-fold SHG pattern with dominant out-of-plane polarization. Additionally, the SHG response evolves from an isotropic pattern to a sharp three-fold symmetry upon increasing Fe deficiency, mainly due to the transition from random defects to ordered Fe vacancies. Such SHG response is robust against temperature, ensuring unaltered crystalline symmetries above and below the ferromagnetic transition temperature. These findings add crucial new information to our understanding of this interesting vdW metal, iron germanium telluride: band topology, intrinsic spin-orbit torque and topological vdW polar metal states.
참여 연구원: Kai-Xuan Zhang, 김현철, 최경원, 금지훈, 박제근
Advanced Materials 온라인 게재: