[Kai-Xuan Zhang 박사/이승복 학생/박제근 교수] all-vdW 이종 구조에서 계면 chirality에 의해 유도되는 고효율 무자기장 스위칭 (Nature Communications 논문 게재)
Chirality는 거울상 대칭이 깨진 상태를 나타내는 개념으로, 다양한 물리 현상의 근간을 이루는 핵심 대칭성 요소 중 하나이다. 그동안 chirality에 관한 연구는 주로 벌크 물질을 중심으로 이루어져 왔으나, 계면에서 형성되는 chirality가 벌크와는 구별되는 새로운 물리적 응답을 유도할 수 있을 것으로 기대되어 왔다.
본 연구팀은 2차원 자성 반데르발스 물질인 chiral vdW 반강자성체 Co1/3TaS2와 achiral vdW 강자성체 Fe3GeTe2로 이루어진 all-vdW 이종 구조에서, 계면 chirality에 의해 두 종류의 비통상적 spin-orbit torques (SOT)가 나타남을 확인하였다. 또한 이러한 SOT가 약 수준의 매우 낮은 전류 밀도와 미만의 최소 전력 소모만으로도, 외부 자기장 없이 Fe3GeTe2의 수직 자화를 스위칭할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 나아가 Fe3GeTe2 대신 Curie 온도가 더 높은 Fe3GaTe2를 사용한 Fe3GaTe2/Co1/3TaS2 이종구조에서는 상온에서도 외부 자기장 없이 자화 스위칭을 구현하였다.
이번 연구는 계면 chirality가 스핀트로닉스 응용에 사용되는 강력한 새로운 자유도로 활용될 수 있음을 보여준다. 이를 통해 벌크 대칭성의 제약을 넘어 chirality에 의해 유도되는 새로운 물리 현상을 탐구할 수 있는 길을 열었으며, 나아가 all-vdW 이종구조 기반의 고효율 및 저전력 스핀트로닉스 소자 구현을 위한 새로운 방향을 제시한다.
Interfacial chirality-induced magnetic-field-free switching with high energy efficiency in all-vdW heterostructures
Chirality, a central concept across many scientific disciplines, continues to inspire the discovery of novel physical phenomena. In condensed matter physics, structural chirality—defined by the absence of mirror plane symmetries—has primarily been explored in bulk materials. However, new chiral phenomena can emerge uniquely at the interface, distinct from their bulk counterparts, when a chiral material forms a heterostructure. Here, we demonstrate that all van-der-Waals (vdW) heterostructure composed of the chiral Co1/3TaS2 and the achiral vdW ferromagnet Fe3GeTe2 exhibits two distinct and unconventional spin-orbit torques originating from the interfacial chirality. These torques enable magnetic-field-free switching of perpendicular magnetization with ultralow current density and minimal power dissipation . Moreover, by replacing Fe3GeTe2 with a similar vdW ferromagnet, Fe3GaTe2, but of higher Curie temperature, we achieved the magnetic-field-free switching at room temperature in the Fe3GaTe2/Co1/3TaS2 vdW heterostructure. Our findings establish interfacial chirality as a powerful new handle for spintronic control, opening a new pathway to explore chirality-induced phenomena beyond the bulk symmetry constraints – and paving the way toward highly efficient, low-power spintronic devices based on all-vdW heterostructures.
참여연구원: Kai-Xuan Zhang, 이승복, 금지훈, 김현철, 안여찬, 조웅희, 박제근