국내 연구진, 이차원 위상 자성체 물질 세계 최초 직접 측정 성공

한국표준과학연구원(KRISS) 저차원소자물질연구팀. (뒷줄 좌측부터 시계방향으로) 정수용 책임연구원, 이덕현 박사후연구원, 하동한 책임연구원, 이인호 책임연구원, 민근홍 학생연구원 사진=한국표준과학연구원
<한국표준과학연구원(KRISS) 저차원소자물질연구팀. (뒷줄 좌측부터 시계방향으로) 정수용 책임연구원, 이덕현 박사후연구원, 하동한 책임연구원, 이인호 책임연구원, 민근홍 학생연구원 사진=한국표준과학연구원>

국내 출연연·대학 공동연구팀이 세계 최초로 이차원 위상 자성체 물질의 스핀의존 전자구조를 넓은 에너지 영역에서 측정하는 데 성공했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 세종대, 포스텍, 서울대, 기초과학연구원(IBS), 한국기초과학지원연구원과 이론적 예측에 머물러 왔던 이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정했다고 23일 밝혔다.

이차원 위상 자성체 물질은 미래 양자 정보·메모리 소자 핵심 소재로 주목받는 물질이다. 자성체 물성을 파악하기 위해 이를 좌우하는 전자스핀 정보를 정확히 측정해야 한다.

다만 지금까지 전자스핀 정보는 아주 작은 에너지 영역에서만 제한적으로 측정 가능해 상당 부분은 이론적 예측 연구에 의존해야 했다. 전자스핀 정보가 외부 물리적·화학적 환경에 민감하게 반응해 작은 변화에도 쉽게 손실되기 때문이다.

연구팀은 스핀의존 전자터널링분광법을 이용해 이차원 위상 강자성체 물질인 Fe3GeTe2(FGT)의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정하고, 이를 이론적 예측값과 비교·분석해 정확성을 검증했다. FGT는 이차원 상태에서도 자성과 도체성을 띠는 양자 위상 물질로 차세대 양자 스핀 및 정보 소자 구현 핵심 소재로 주목받고 있다.

전자터널링분광법은 전자터널링 장벽을 이용해 고체 물질 전자구조를 에너지 변화에 따라 측정하는 기법이다. 기존에 사용된 터널접합 구조는 물리적·화학적 불안정성이 높아 고에너지 영역에서 스핀 정보를 측정하기 어려웠다.

반데르발스 결합 무결점 접합구조를 적용해 제작한 FGT 기반 자화터널소자. 사진=한국표준과학연구원
<반데르발스 결합 무결점 접합구조를 적용해 제작한 FGT 기반 자화터널소자. 사진=한국표준과학연구원>

이번 연구에서는 외부 환경변화에 안정적인 박막 소재를 FGT와 반데르발스 결합(원자와 분자간 물리적 결합력) 방식으로 구성해 스핀 정보 손실 없이 고에너지 스핀의존 전자구조 측정이 가능했다.

이번 기술은 차세대 양자 위상 및 정보 소재 개발을 위한 기초 기술로 활용될 수 있다. 또 실험에 사용된 무결점 반데르발스 결합 소자 구성은 양자 메모리, 확률적 변이 메모리 등 차세대 스핀·초전도 양자 소자에도 응용 가능할 전망이다.

정수용 KRISS 저차원소자물질연구팀 책임연구원은 “이론적 예측 연구에 응답할 수 있는 측정 결과를 제시함으로써 차세대 양자 소재 실용화 연구에 새로운 가능성을 보여줬다”고 말했다.

한편 KRISS 기본사업과 한국연구재단 기초연구사업, IBS 원자제어저차원 전자계연구단, IBS 강상관계물질연구단 지원을 받은 이번 연구 성과는 소재 분야 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF: 47.656)에 지난 5일 온라인 게재됐다.

이인희기자 leeih@etnews.com