2016년 서울대 박제근 교수가 세계 최초로 개척한 2차원 자성 반데르발스 물질 연구는 현재 응집물질물리학 및 재료과학의 핵심 분야로 자리 잡았습니다. 자기 위상적 물리 현상은 최근 이 분야에서 주목받고 있는 주제로, 본 연구는 그 중에서 위상적 스핀 카이랄리티에 대해 다루었습니다.

위상적 스핀 카이랄리티는 실공간 Berry phase로부터 유도된 위상적 홀 효과와 같은 독특한 양자 현상에 의해 주목받고 있지만, 이러한 스핀 카이랄리티를 전류를 통해 직접적으로 반전시키는 것은 아직 연구되지 않은 문제로 남아있었습니다.

본 연구팀은 triple-Q 구조의 자기 질서에 의해 스핀 카이랄리티가 나타나는 2차원 반강자성 금속 Co_1/3TaS₂을 연구하였습니다. Co_1/3TaS₂에서 나타나는 스핀 카이랄리티는 시간 반전 쌍을 이루어 서로 반대 부호의 위상적 홀 효과를 보이고, 이를 이용하여 Co_1/3TaS₂에 비교적 강한 전류를 흘린 후 홀 저항의 변화를 측정하면서 카이랄리티가 전류에 의해 반전되는 것을 확인하였습니다. 주목할 점은 외부 자기장이나 다른 물질 없이 self-torque에 의해서만 카이랄리티가 반전되었다는 것입니다.

이번 연구는 위상적 스핀 카이랄리티를 전류로 반전시킬 수 있음을 보여준 사례로, 향후 카이랄 스핀트로닉스 및 다양한 스커미온 시스템으로의 확장 가능성을 제시합니다.

Current Switching of Topological Spin Chirality in the van der Waals Antiferromagnet Co_1/3TaS₂

Magnetic topology is central to modern quantum magnet, where spin chirality governs exotic spin winding, real-space Berry phase, and topological Hall effect. A key unresolved challenge is how to electrically switch topological spin chirality and its associated gauge flux, an essential requirement for manipulating its topological quantum properties. In this work, we propose and experimentally demonstrate the concept of current-switching spin chirality. We identify the new vdW antiferromagnet Co_1/3TaS₂ as an ideal platform, hosting a topological 3Q state with a minimum chirality cell, an ultrahigh skyrmion density, a non-centrosymmetric geometry, and a strong Berry curvature. We discover intrinsic self-torque-induced chirality switching within Co_1/3TaS₂, driven purely by current, without the need of heavy metals or a magnetic field, and with high energy efficiency. Note that it is also the first time to combine novel self-torque and field-free switching for spintronics, and more interestingly, in an exotic quantum antiferromagnet. Our results establish a promising framework for electrically generating and controlling topological spin chirality, and demonstrate a practical route toward chiral spintronics. They can be naturally generalised to other skyrmion systems, offering new opportunities in symmetry control, topological manipulation, and spin-chirality–based quantum functionalities.

참여연구원: Kai-Xuan Zhang, 이승복, 조웅희, 박제근

Link: http://doi.org/10.1002/adma.202522943