Non-coplanar Magnetic Structures on Kagome Lattices in Co3Sn2(S,Se)2
- 주제(키워드) kagomé lattice , Co3Sn2S2 , non-coplanar magnetic structure , metastable magnetic state , 카고메 격자구조 , Co3Sn2(S , Se)2 , 비공면 자성구조 , 준 안정 자성상
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정명화
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- UCI I804:11029-000000065718
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
A kagomé 2D lattice, the trihexagonal tiling in geometry, has been predicted to show remarkable topological quantum properties. Moreover, it has been expected that, if either spin fluctuation (or frustration) or non-coplanar magnetic structure is on the kagomé lattice, then it will enrich physical properties of the kagomé lattice. Experimentally it has been found that many kagomé-lattice materials have novel physical properties. For example, Mn3Sn, FeSn, and Fe3Sn2 are kagomé-lattice materials having been specified as experimental basis to study up-to-date research topics. Particularly, Co3Sn2S2 with magnetic kagomé sublattices of Co atoms possesses exotic topological properties such as a magnetic Weyl phase, a flat band, broken Ohm’s law, and large intrinsic anomalous Hall angle. Meanwhile, Co3Sn2S2 has been reported in experiments that there are hidden magnetic phases in Co3Sn2S2 according to various measuring methods, which has not been understood yet. To clarify the hidden magnetic phase in temperature and magnetic field, we have tuned the distance between kagomé layers by substituting Se for S in Co3Sn2S2, while retaining its magnetism. We have grown high-quality single crystals of Co3Sn2S2-xSex (x = 0, 0.26, and 0.86). According to electron probe microanalysis measurement, the S atoms are homogeneously replaced by the Se atoms. For Co3Sn2S2 (x = 0), the Curie temperature TC = 181.6 K is observed with a magnetic moment ~0.34 B/Co at 2 K along the c-axis which is the easy magnetization direction. With increasing x, the lattice parameter increases, and the Curie temperature decreases. In the remanent magnetization versus temperature curve, we observe other magnetic first order transitions at Tcom = 149.5, 134.7, and 90.2 K for x = 0, 0.26, and 0.86, respectively. Consequently, we verified that Co3Sn2(S,Se)2 have the ground state of non-coplanar magnetic structure and a metastable state below TC.
more초록/요약
이차원 카고메 (kagomé) 격자구조는 기하학에서 삼육각형 격자구조라 불리우며, 응집물질 물리학에서 이러한 원자배열이 양자물리학적인 새로운 물성들을 가질 것이라 예측되어왔다. 더 자세히 말하자면, 비공면 자성구조 혹은 스핀 요동 상태가 카고메 격자구조에 있다면 이론적으로 흥미로운 물성들이 관측될 것이 연구되어왔다. 실험적으로, 새로운 물성을 가진 카고메 물질들이 발견되어왔다. 몇몇을 예로 들면, Mn3Sn, FeSn, 그리고 Fe3Sn2이며, 최신 연구주제를 다루기 위한 물질군으로 다뤄진다. 특히 Co3Sn2S2는 Co로 구성된 카고메 격자구조를 가지고 있으며, 다른 카고메 물질들과 마찬가지로 흥미로운 물성들이 보고되어왔다. 그 물성을 나열해보면 자성을 가진 바일 준금속 상태, 평탄한 에너지 밴드, 옴의 법칙 깨짐, 내재적 요인이 지배적인 비정상 홀 효과 등이 있다. 그런데, 다양한 실험 결과에 따르면 Co3Sn2S2의 자성상태가 단순한 강자성체가 아님이 보고되고 있으며, 그 새로운 자성구조는 완전히 규명되지 못했다. 따라서, 우리는 밝혀지지 못한 자성구조를 알아내기 위해 통제변인 하나를 더하였다. 이는 Co원자 간의 거리를 조절인데Se을 S 대신 치환하는 방법으로 자성의 변화를 최소화하면서 Co간의 거리를 조절하였다. 그리하여 조성비가 다른 단결정 Co3Sn2S2-xSex 세 개를 만들었다. (x = 0, 0.26, 및 0.86) 전계방사 전자현미경분석기 실험을 이용하여 정확한 조성비를 찾았다. Co3Sn2S2 (x=0)의 자성은 퀴리 온도 181.6 K 이며, 2 K에서 c 축 방향으로 약 0.34 B/Co의 잔류 자기 모멘트를 갖고 있다. 반면에 Se 함량이 증가할수록 퀴리 온도가 감소하지만 잔류 자기 모멘트는 유지된다. 모든 조성비에서 잔류 자기 모멘트를 온도에 대하여 측정하면 1차 상 변이 현상이 관측되며 그 상 변이 온도는 각각 149.5, 134.7, 및 90.2 K이다. 이번 논문의 결론을 말하자면, 기저 상태는 비공면 자기 구조이고 준 안정 자성상 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 일괄적으로 발견되었다.
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