[김하림 학부생/양희준 학생/박제근 교수] 삼각격자 반강자성 절연체에서의 스핀 요동에 의한 열홀효과 발견 (Nature Communications 논문 게재)
Thermal Hall effects due to topological spin fluctuations in YMnO3
열홀효과는 열에 의한 홀 효과를 측정하는 것으로 분해능이 약 1/1000,000 정도의 초정밀 온도측정을 해야 하는 매우 어려운 실험이다. 박제근 교수 연구진은 외국 연구진과는 다른 독창적인 방법으로 장치를 개발하여 분해능은 세계 최고 수준이면서, 측정 시간을 대폭 줄이는 장치를 독자적으로 개발하였다. 이번 연구성과는 자체적으로 개발한 장비를 사용하여 성공한 대표적인 사례이다.
열홀효과는 열에 의한 홀 효과를 측정하는 것으로 분해능이 약 1/1000,000 정도의 초정밀 온도측정을 해야 하는 매우 어려운 실험이다. 박제근 교수 연구진은 외국 연구진과는 다른 독창적인 방법으로 장치를 개발하여 분해능은 세계 최고 수준이면서, 측정 시간을 대폭 줄이는 장치를 독자적으로 개발하였다. 이번 연구성과는 자체적으로 개발한 장비를 사용하여 성공한 대표적인 사례이다.
자기적 성질을 띠는 물질에서는 인접한 세 스핀의 곱으로 정의되는 scalar spin chirality에 의해서 전자의 움직임에 추가적인 수직성분을 주어 홀효과와 같은 물리현상이 발생하는 것이 알려져 있다. 특히, 최근에는 자성 절연체에서 또한 scalar spin chirality가 열홀효과(thermal Hall effect)를 발생시키는 데 중대한 역할을 할 것이라는 이론 연구가 제안되고 이어서 실험연구들이 카고메 격자를 중심으로 활발한 연구가 진행되어왔다. 반면, 삼각격자 시스템은 인접한 삼각형 사이의 scalar spin chirality 가 서로 상쇄되기 때문에 연구자들의 관심을 받지 못했다. 그러나 강한 스핀-격자 상호작용 등으로 인한 격자 변형(e.g. trimerization)이 있는 삼각격자 시스템에서는 완벽하게 상쇄되지 않는 scalar spin chirality에 의한 thermal Hall effect를 기대할 수 있다.
본 연구에서는 120˚ 자기구조와 trimerization을 동시에 가지는 삼각격자 반강자성 절연체인 h-YMnO3에서 thermal Hall effect를 측정하였다. 측정된 thermal Hall angle의 온도의존성이 반강자성 상전이 온도 (TN~75K) 근방에서 피크를 이뤘으며, TN의 2배 온도까지 그 크기가 유한하였다. 이어, 비탄성 중성자 산란 실험 등으로 알려진 h-YMnO3의 자기 해밀토니안과 Landau-Lifshitz-Gilbert equation을 이용한 이론 계산을 수행하여 얻은 thermal Hall conductivity는 그 크기와 부호가 실험결과와 상응함을 확인하였다.
Abstract: The thermal Hall effect in magnetic insulators has been considered a powerful method for examining the topological nature of charge-neutral quasiparticles such as magnons. Yet, unlike the kagome system, the triangular lattice has received less attention for studying the thermal Hall effect because the scalar spin chirality cancels out between adjacent triangles. However, such cancellation cannot be perfect if the triangular lattice is distorted. Here, we report that the trimerized triangular lattice of multiferroic hexagonal manganite YMnO3 produces a highly unusual thermal Hall effect under an applied magnetic field. Our theoretical calculations demonstrate that the thermal Hall conductivity is related to the splitting of the otherwise degenerate two chiralities of its 120˚ magnetic structure. Our result is one of the most unusual cases of topological physics due to this broken Z2 symmetry of the chirality in the supposedly paramagnetic state of YMnO3, due to strong topological spin fluctuations with the additional intricacy of a Dzyaloshinskii-Moriya interaction.
참여 연구원: 김하림, 양희준 Matthew John Coak, 심하성, 박제근
Nature Communications 온라인 게재
DOI: 10.1038/s41467-023-44448-9
Link: https://rdcu.be/du6rP