IBS, 강자성과 위상성질 동시에 지닌 신물질 발견

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국내 연구진이 강자성과 위상성질을 동시에 가지는 물질을 발견했다. 이처럼 스스로 자성을 띠는 강자성 물질이면서 선 형태로 위상학 특이점을 지니는 물질을 발견한 것은 세계에서도 처음이다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 김준성 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구위원, 양범정 강상관계 물질연구단 연구위원, 김규 막스플랑크 한국 포스텍 연구소 박사 등이 철 기반 'Fe₃GeTe₂'가 강자성과 위상성질을 동시에 가지는 물질임을 발견했다고 24일 밝혔다.

Fe3GeTe2 전자구조의 위상학적 특이점
<Fe3GeTe2 전자구조의 위상학적 특이점>

위상물질은 화학구조가 바뀌지 않은 한 전자구조를 보존하는 물질이다. 이런 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강하면서 정보 손실 없는 양자 소자를 구현할 수 있다.

Fe₃GeTe₂는 이런 '위상학적 특이점'이 선 형태로 길게 분포돼 있어 이 선을 따라 큰 양자역학적 자기장이 생긴다. 동시에 강자성체여서 전자 회전운동인 '스핀' 방향에 따라 휘어지는 '이상 홀효과'가 강하게 나타난다.

연구팀은 이번 연구로 위상학 상태와 강자성을 모두 지닌 물질이 실제로 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 또 이 물질에서 강하고 안정된 이상 홀효과를 관측했다. 그동안 학계에서는 강자성체에서 이상 홀효과를 많이 관측했지만 크기가 작았다. 기존 위살물질은 자성을 띠지 않는 물질이 대부분이라 양자역학적 자기장 효과가 나타나도 효과가 상쇄됐다.

Fe₃GeTe₂는 소자 개발에도 널리 쓰일 전망이다. 원자 간 결합이 약한 '반데르발스 구조'를 가지고, 육각 벌집형태여서 한 층씩 떼어나 2차원 강자성체를 만들 수 있다. 강한 이상홀 효과를 이용해 스핀을 조절, 미래형 정보소자 개발에도 도움이 될 것으로 보인다.

김규 박사는 “위상학 특성을 가진강자성체가 자연계에 더 많이 존재할 것으로 기대한다”며 “Fe₃GeTe₂ 연구로 더 강한 위상 특성을 가진 자성체를 발견할 수 있을 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com