서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[김채빈 학생/박제근 교수] 삼각격자 반데르발스 물질 CoI2에서 키타에프 상호작용 존재 입증 (Nature Physics 논문 게재)

2023-08-28l 조회수 1416

Bond-dependent anisotropy and magnon-decay in cobalt-based Kitaev triangular antiferromagnet

스핀들이 벌집 구조를 이루며 비등방적으로 상호작용하는 키타에프 모델(Kitaev model)은 양자 스핀 액상 상태를 가지는 희귀한 예시이다. 대부분의 키타에프 후보군들이 등방적인 상호작용들로 인해 자성 상전이를 가지지만, 비등방적 상호작용만으로도 특이한 자성 동역학을 보여준다. 이러한 관점에서의 확장으로 삼각격자에서 키타에프 상호작용이 존재할 경우, 다양한 자성 상태를 가진 다는 것이 이론적으로 제시되었지만 실제 물질은 별로 존재하지 않았다. 본 연구에서는 자성 반데르발스 삼각격자 물질인 CoI2를 통해서 처음으로 삼각격자에서 키타에프 상호작용이 존재함을 확인하였다. 비탄성 중성자 산란(inelastic neutron scattering) 측정을 통해 강한 마그논 붕괴와 반발(level repulsion)을 확인하였다. 자성 상전이 온도 근방에서의 측정과 스핀파 계산을 통해 상자성 상태와 자기 구조를 설명하기 위해서는 키타에프 상호작용이 중요하게 작용한다는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 삼각격자에서 키타에프 상호작용이 중요하게 작용함을 보인 첫 결과로, 구조에 의한 쩔쩔맴(geometrical frustration)과 키타에프 자성의 협동을 연구하는데에 중요한 발판이 될 것이다.

Abstract: The Kitaev model, a honeycomb network of spins with bond-dependent anisotropic interactions, is a rare example of a system with a quantum spin liquid ground state. Although most Kitaev model candidate materials eventually order magnetically due to additional non-Kitaev interactions, their bond-dependent anisotropy manifests in unusual spin dynamics. It has recently been suggested that bond-dependent anisotropy can stabilise exotic magnetic phases on the geometrically frustrated triangular lattice. Unfortunately, few materials have been identified with simultaneous geometric frustration and bond-dependent anisotropy. Here, we report a frustrated triangular lattice with bond-dependent anisotropy in the cobalt-based van der Waals antiferromagnet CoI2. Momentum and energy-resolved inelastic neutron scattering measurements show substantial magnon decay and level repulsion. A thorough examination of excitations in both the paramagnetic and magnetically ordered states demonstrates that the bond-dependent anisotropy is the origin of the spiral order and the magnon decay found in CoI2. Our results provide the basis for future studies of the interplay between Kitaev magnetism and geometric frustration.

참여 연구원: 김채빈, 박평제, 김태훈, 정재홍, 박제근

Nature Physics 온라인 게재 https://doi.org/10.1038/s41567-023-02180-7

Link: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02180-7