서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[이수영 학생, 김창영 교수] 새로운 자성상(magnetic phase)인 교자성(altermagnetism)의 존재에 대한 분광학적 증거 보고 (Physical Review Letters 논문 게재 (Editors’ suggestion))

2024-01-22l 조회수 2660

“Broken Kramers Degeneracy in Altermagnetic MnTe”
 
교자성(altermagnetism)은 최근 이론적으로 예측된 새로운 자성상(magnetic phase)으로써, 스핀의 정렬만 본다면 반강자성(collinear antiferromagnetism)을 가지고 있지만, 비자성 이온들의 특이한 배치로 인하여 일반적인 collinear antiferromagnet들과는 다르게 시간대칭성이 깨져있다. 그 결과 하나의 에너지 상태에 두 가지 스핀 방향의 전자가 존재하는 스핀축퇴 현상(Kramer’s degeneracy)이 없이, 두 방향의 스핀이 서로 다른 에너지를 가지는 스핀갈라짐(spin splitting)이 일어나게 된다. 교자성은 자화(net magnetization) 없이도 비정상 홀 효과를 보이고, 스핀분근 전류를 만들 수 있는 등 스핀트로닉스 분야에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대되어 그 중요성이 높아지고 있다.  

교자성이라는 자성상은 이론적으로 예측되었고 비정상 홀 효과와 같은 간접적인 증거는 보고 되었으나, 분광학적 기법을 이용한 직접적인 실험적 증거는 보고되지 않았다. 본 연구에서는 분자 빔 에피택시(MBE)를 이용하여 성장된 MnTe 박막에 대한 in-situ 각도분해 광전자분광(ARPES) 연구를 통하여, α−MnTe의 밴드를 온도에 따라 측정하였다. 그 결과, 온도가 TN=267 K 아래로 내려가면서 각 밴드가 2개로 갈라짐을 보였고, 이러한 밴드 갈라짐은 이론의 예측과 같이 대칭성이 큰 역공간 영역(high protected momenta)이 아닌 곳에서만 관측 되었다. 또한, 밴드의 갈라짐은 최대 370 meV까지 관측되었는데, 이러한 결과들은 교자성의 존재에 대한 최초의 분광학적 증거이다.      
 
Altermagnetism is a newly identified fundamental class of magnetism with vanishing net magnetization and time-reversal symmetry broken electronic structure. Probing the unusual electronic structure with nonrelativistic spin splitting would be a direct experimental verification of an altermagnetic phase. By combining high-quality film growth and in situ angle-resolved photoemission spectroscopy, we report the electronic structure of an altermagnetic candidate, α−MnTe. Temperature-dependent study reveals the lifting of Kramers degeneracy accompanied by a magnetic phase transition at TN=267  K with spin splitting of up to 370 meV, providing direct spectroscopic evidence for altermagnetism in MnTe.
 
Authors: Suyoung Lee* (서울대), Sangjae Lee, Saegyeol Jung, Jiwon Jung, Donghan Kim, Yeonjae Lee, Byeongjun Seok, Jaeyoung Kim, Byeong Gyu Park, Libor Šmejkal, Chang-Jong Kang, and Changyoung Kim* (서울대)
 
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.036702
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