강자성 마그논 모드의 다중 발생: TmFeO₃의 강한 자기탄성 결합

초록

TmFeO₃ 단결정에서 온도와 외부 자기장을 가변시킨 광대역 마이크로파 흡수 실험을 수행하였다. 스핀 재배향 전이 구간에서 quasi‑ferromagnetic(q‑FM) 공명 모드가 연속적으로 연화하고, 전이점에서 유한한 마그논 갭이 나타났다. 특히 중간 Γ₂₄ 상에서는 0.5–2 GHz 간격의 다중 q‑FM 마그논 모드가 등장했으며, 이는 주기적인 도메인 구조와 강한 자기탄성 결합에 의해 형성된 비균일 스핀파와 음향 포논의 혼성으로 해석된다.

상세 분석

본 연구는 TmFeO₃의 스핀 재배향 전이(SRPT) 구간에서 자기역학을 정밀하게 탐구하기 위해 0.1 GHz부터 87.5 GHz까지의 마이크로파 흡수 스펙트럼을 온도와 외부 자기장(최대 8 T) 변화에 따라 측정하였다. 저주파 영역(≤40 GHz)에서는 flip‑chip 방식의 CPW를 이용해 q‑FM 모드의 연화 현상을 관찰했으며, 전이점에서 마그논 주파수가 0 GHz로 완전히 소멸하지 않고 약 9 GHz에서 최소값을 보이는 유한 갭을 확인하였다. 이는 Fe‑Fe 간 교환장과 Dzyaloshinskii‑Moriya 상호작용을 포함한 자유에너지 모델에 자기탄성 결합 항이 추가될 때 예측되는 현상과 일치한다. 고주파 영역(70.5–87.5 GHz)에서는 직사각형 파형 가이드 내에서 다중 q‑FM 모드가 0.5–2 GHz 간격으로 나타났으며, 이들 모드는 모두 동일한 온도·자기장 의존성을 보였다. 저자들은 이러한 다중 모드가 Γ₂₄ 상에서 형성되는 주기적 도메인 구조에 의해 발생하는 비균일 스핀파(k≠0)와 음향 포논의 강한 혼성 결과라고 주장한다. 특히, 도메인 간격이 수 마이크로미터 수준일 경우, Brillouin‑zone 경계에서의 스핀파가 포논과 공명하여 새로운 하이브리드 밴드를 형성할 수 있다. 실험 데이터는 이론적 시뮬레이션(LLG 방정식에 탄성 변형을 포함)과도 일치하며, 자기탄성 결합 상수가 전이점 근처에서 급격히 증가함을 시사한다. 이러한 결과는 SRPT가 단순한 각도 회전이 아니라, 스핀·격자 자유도 간의 복합적 상호작용을 통한 새로운 마그논·포논 복합체를 생성한다는 중요한 물리적 통찰을 제공한다.