High-pressure studies of magnetic van der Waals tellurides with honeycomb lattices = 벌집 격자를 가지는 자성 반데르발스 텔루륨 화합물의 고압 물성 연구

국문 초록 (Abstract)

벌집 격자를 갖는 자성 반데르발스 물질은 저차원 자성과 위상 전자 상태, 그리고 이들의 상호작용을 연구하기에 적합한 플랫폼이다. 압력은 불순물 도입 없이 계를 연속적으로 조절할 수 있는 제어 매개변수로서, 이들 물질의 물성을 변화시켜 그 근본 물리에 대한 이해를 돕고 창발적 질서를 발현시킬 수 있다. 그 중에서도 위상적 밴드 겹침으로부터 기인하는 이상 홀 효과 및 강자성 초전도는 기초과학적으로도 중요할 뿐만 아니라 잠재적인 소자로의 응용 측면에서도 특히 주목할 만하다. 본 학위논문에서는 다이아몬드 앤빌 셀을 이용한 고압 전하수송, 자화, X선 회절(XRD) 측정을 결합하여, 대표적 층상 벌집 물질인 페리자성(ferrimagnetic) 노달라인(nodal-line) 반도체 Mn3Si2Te6와 강자성 반도체 CrSiTe3에서 압력이 결정구조, 전자구조 및 자성을 어떻게 변화시키는지 규명하였다. 이를 통하여 이들 물질에서 나타나는 전기적, 자기적 현상에 대한 근본 기작에 대한 이해를 높일 수 있었다.
첫째로, 외부 압력을 제어 변수로 사용하여 Mn3Si2Te6의 큐리 온도가 Pc~14 GPa에서 최대가 되는 돔 형태로 변화하며, 그 최댓값이 거의 실온에 도달함을 보였다. 또한 Pc에서 노달라인 상태가 페르미 준위를 가로지르면서 금속-절연체 전이, 스핀 재배열 전이, 그리고 구조적 상전이가 거의 동시적으로 발생한다는 것을 확인하였다. Mn3Si2Te6에서 관측된 이러한 압력에 의한 상전이들은 노달라인 상태의 큰 스핀-궤도 결합과 국소 스핀들의 정렬 간의 상호작용에서 기인한다. 본 결과는 다른 위상적으로 자명한 밴드로부터 잘 분리된 노달라인 상태가 위상 자성체에서 자성 특성을 조율하는 데 핵심적 역할을 할 수 있음을 보여준다.
둘째로, CrSiTe3가 고압 하에서도 벌집 구조와 강자성을 유지하는 가운데, 이런 고압 금속 상에서 큰 이상 홀 효과가 발현됨을 발견하였다. CrSiTe3는 P1∼6 GPa에서 절연체-금속 전이를 겪으며, 이와 거의 동반하여 큐리 온도가 약 33 K에서 약 85 K로 증가한다. 또한 P1부터 이상 홀 효과가 나타나며, 그 크기가 압력에 대해 돔 형태로 변화하여 10.4 GPa, 2 K에서 양자화된 값의 35%에 이르는 최대값에 도달한다. 특히 이 이상 홀 효과는 온도가 감소할수록 단조롭게 증가하는 일반적이지 않은 온도 의존성을 보인다. 이러한 이상 홀 효과의 압력 및 온도 의존성은 갭이 열린 위상적으로 비자명한 전자 밴드에서 기인하는 이상 홀 효과로 설명될 수 있다. 본 결과는 압력에 의해 CrSiTe3에 강자성 금속 상태가 발현되었고, 이 때 위상적으로 비자명한 밴드의 베리 곡률로 인한 큰 이상 홀 효과가 발현되었음을 시사한다.
마지막으로, 고압 하 LixCrSiTe3 및CrSiTe3+x에서 강자성과 초전도의 공존을 관측하였다. 전자 도핑된 CrSiTe3인 LixCrSiTe3에서는 10.3 GPa부터 초전도가 나타나며, 상부 임계 자기장이 파울리 한계를 초과한다. 반면 정공 도핑된 CrSiTe3에서는 5.5 GPa부터 초전도가 발현되나, 상부 임계 자기장은 전자 도핑 경우보다 훨씬 작아 파울리 한계를 넘지 못한다. 이는 고압 하 도핑된 CrSiTe3에서 나타나는 초전도의 성질이 어떤 원자에서 기인한 밴드가 전하수송에 주로 기여하는지에 따라 크게 달라짐을 의미한다. 또한 정공 도핑된 시료에서는 큐리 온도가 증가하는 압력 구간에서 초전도 전이 온도도 증가하는 경향이 관측되었는데, 이는 강자성과 초전도가 서로 상극이라는 일반적인 이해에서 벗어나는 현상이다. 본 연구는 도핑된 CrSiTe3가 강자성과 초전도의 다양한 공존 양상을 탐구하기 위한 흥미로운 플랫폼임을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Magnetic van der Waals materials with honeycomb lattices provide a fertile platform for exploring low-dimensional magnetism, topological electronic states, and their interplay. The combination between these materials and pressure, a clean tuning parameter, open opportunities to understand the fundamental physics in these materials and to discover exotic emergent orders. Among various emergent responses, the anomalous Hall effect from topological band degeneracies and ferromagnetic superconductivity are of particular interest, both for fundamental physics and for potential device application. In this thesis, I investigate how pressure modifies the crystal structure, magnetism, and electronic structure of two representative layered honeycomb materials, the ferrimagnetic nodal-line semiconductor Mn3Si2Te6 and the ferromagnetic semiconductor CrSiTe3, by combining high-pressure electronic transport, magnetization, and X-ray diffraction (XRD) measurements using diamond anvil cells. These results provide a deeper understanding of the fundamental mechanisms governing physical phenomena in these materials.
First, taking external pressure as a control knob, we show that while Mn3Si2Te6 exhibits the dome-shaped Curie temperature variation whose maximum reaches nearly room temperature at Pc~14 GPa, a metal-insulator transition, a spin-reorientation transition, and a structural modification occur concomitantly when the nodal-line state crosses the Fermi level at Pc. These unique pressure-driven structural, magnetic and electronic phase transitions of Mn3Si2Te6 originate from the interplay between the large spin-orbit coupling of the nodal-line state and the alignment of localized spins. Our findings highlight that the nodal-line states, isolated from other trivial states, can facilitate strongly tuning the magnetic properties in the topological magnets.
Second, we find that the large anomalous Hall effect emerges in a high-pressure metallic phase of CrSiTe3 while its honeycomb structure and ferromagnetism are maintained in a high-pressure regime. CrSiTe3 undergoes an insulator‒metal transition and a nearly concomitant increase of Curie temperature from ~33 to ~85 K at P1~6 GPa. Furthermore, the anomalous Hall conductivity appears from P1 and exhibits a dome-like pressure evolution, reaching a maximum of 35% of a quantized value at 10.4 GPa, 2 K. Especially, the anomalous Hall conductivity shows an unusual monotonic increase with decreasing temperature. Both the pressure- and temperature-dependence can be explained by the anomalous Hall effect from a gapped topologically non-trivial electronic band. Our results suggest that large anomalous Hall effect of CrSiTe3 arises from the intrinsic Berry curvature inherent to the non-trivial band topology of the pressure-induced ferromagnetic metallic states.
Finally, we observe the coexistence of the ferromagnetism and superconductivity in pressurized LixCrSiTe3 and CrSiTe3+x. While in LixCrSiTe3, electron-doped CrSiTe3, the superconductivity appears from 10.3 GPa and its upper critical field exceeds the Pauli limiting field, CrSiTe3+x, hole-doped CrSiTe3, show the superconductivity from 5.5 GPa whose upper critical field is much smaller than that of the electron-doped case. This indicates that the nature of the superconductivity in doped CrSiTe3 under high pressure depends on which atomic bands mainly contribute to conduction. Moreover, the hole-doped case exhibits a unique trend that the superconducting transition temperature increases in the pressure range where the Curie temperature also increases, which is contrary to the conventional understanding that superconductivity and ferromagnetism are incompatible with each other. Our findings suggest that doped CrSiTe3 is an intriguing platform for studying various types of the coexistence between the ferromagnetism and superconductivity.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Magnetic van der Waals materials with honeycomb lattices 1
• 1.2 Anomalous Hall effect and non-trivial topology 6
• 1.3 Brief history of ferromagnetic superconductors 10
• Chapter 2. Experimental methods 13
• 2.1 Diamond anvil cell 13
• 2.2 X-ray diffraction measurements in the diamond anvil cell 15
• 2.3 Electrical transport measurements in the diamond anvil cell 18
• 2.4 DC magnetization measurements in the diamond anvil cell 22
• Chapter 3. High-temperature concomitant metal-insulator and spin-reorientation transitions in a compressed nodal-line ferrimagnet Mn3Si2Te6 24
• 3.1 Introduction 24
• 3.2 Physical properties of Mn3Si2Te6 at ambient pressure 25
• 3.3 Electrical transport properties of Mn3Si2Te6 under high pressure 28
• 3.4 In-plane and out-of-plane magnetization of Mn3Si2Te6 under high pressure 31
• 3.5 Structural phase transition of Mn3Si2Te6 under high pressure 33
• 3.6 Discussion 35
• 3.7 Conclusion 38
• Chapter 4. Pressure-induced large anomalous Hall effects in CrSiTe3 40
• 4.1 Introduction 40
• 4.2 Characterization of CrSiTe3 at ambient pressure 43
• 4.3 Structural stability of CrSiTe3 under pressure 44
• 4.4 Magnetic properties of CrSiTe3 under high pressure 48
• 4.5 Electrical transport properties of CrSiTe3 under high pressure 52
• 4.6 Discussion 58
• 4.7 Conclusion 60
• Chapter 5. Coexistence of magnetism and superconductivity in doped CrSiTe3 crystals under high pressure 62
• 5.1 Introduction 62
• 5.2 Sample synthesis methods 64
• 5.3 WDS measurements on CrSiTe3+x 65
• 5.4 Electrical transport properties of CrSiTe3+x under high pressure 68
• 5.5 Magnetic properties of CrSiTe3+x under high pressure 71
• 5.6 Electrical transport properties of LixCrSiTe3 under high pressure 74
• 5.7 Discussion 76
• 5.8 Conclusion 79
• Appendix A. Designs and operation of the diamond anvil cells 80
• A.1 Alignment of diamond anvils 80
• A.1.1 Alignment using jigs 80
• A.1.2 Alignment without jigs 83
• A.2 Gasket preparation 85
• A.3 Preparation of electrodes for DAC transport measurements 89
• A.3.1 For solid pressure transmitting mediums 89
• A.3.2 For liquid pressure transmitting mediums 90
• A.4 Pressurization and pressure measurements 93
• A.4.1 Pressurization methods for each DAC 93
• A.4.2 Pressure measurements 94
• A.5 Detailed designs of the diamond anvil cells 97
• A.5.1 A MPMS DAC and a pressurization jig 97
• A.5.2 A symmetric DAC and an alignment jig 103
• A.5.3 A transport DAC and a pressurization jig 109
• A.5.4 A mini transport DAC and a pressurization jig 115
• Bibliography 121
• List of publications 126
• 국문 초록 127