위상 자성 반도체의 스핀 물성 원리 규명
- 압력 제어를 이용한 위상 자성 반도체의 전자기 물성 조절 -
[연구필요성]
위상 자성 반도체’는 위상학1)적으로 특이한 전자상태, 즉 위상 전자 상태를 가지면서 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질이다. 이 반도체는 위상 전자 상태가 없는 기존 자성 반도체와 다른 특이한 전자기적 물성을 나타내 향후 스핀트로닉스(spintronics) 분야를 이끌 소재로 세계적인 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 이와 관련한 연구가 부족하고, 이 물질 성질을 제어할 수 있는 방법이 전류 제어에만 국한되어 있는 상태이다.
[연구성과/기대효과]
서울대, 포항공대 공동 연구팀은 위상 자성 반도체 물질 후보인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하면 반도체-금속 상전이와 동시에 자성 정렬 방향 변화가 일어남을 발견하였다.
이처럼 압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태 조절하고, 압력 변수에 따라 독특한 스핀 물성 변화를 직접 관측한 것은 이번 연구가 최초이다. 이 발견은 향후 위상자성 물질의 자성 물성 제어에 유용한 새로운 방법으로 응용될 수 있을 것이다.
[본문]
서울대 물리학과 김기훈 교수(첨단복합물질상태연구단)·POSTECH(포항공과대학교) 물리학과(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단) 김준성 교수 공동 연구팀은 위상학(topology)1)적으로 특이한 전자상태를 이용해 자성 반도체의 스핀(spin)2) 물성을 조절하는 새로운 원리를 제시했다. 이번 연구는 국제 학술지인‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’온라인판에 최근 게재됐다.
‘위상 자성 반도체’는 위상학적으로 특이한 전자상태, 즉 위상 전자 상태를 가지면서 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질이다. 이 반도체는 위상 전자 상태가 없는 기존 자성 반도체와 다른 특이한 전자기적 물성을 나타내 향후 스핀트로닉스(spintronics)3) 분야를 이끌 소재로 세계적인 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 이와 관련된 연구가 부족한 상황이다.
서울대, 포항공대 공동 연구팀은 이러한 위상 자성 반도체 중 2021년 김준성 교수 연구팀에서 발견한 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 전기적, 자기적 특성을 압력하에서 조사하는 중, 이 물질에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도할 수 있음을 발견하였다.
실험 결과, 압력으로 조절된 반도체-금속 상전이 과정에서 이상홀 효과(anomalous Hall effect)4)가 급격하게 커지는 등 물질의 전기전도 특성이 변화했으며, 동시에 스핀 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 스핀 재정렬 전이가 발생했다. 이는 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 상호작용5)으로 인해 압력으로 조절된 전자상태에 따라 스핀의 정렬 상태가 급격히 바뀌는 것을 의미한다.
이처럼 압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태 조절하고, 압력 변수에 따라 독특한 스핀 물성 변화를 직접 관측한 것은 이번 연구가 최초이다. 이 발견은 향후 위상자성 물질의 자성 물성 제어에 유용한 새로운 방법으로 응용될 수 있을 것이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 우수연구자교류지원사업 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다.
[연구결과]
High-temperature concomitant metal-insulator and spin-reorientation transitions in a compressed nodal-line ferrimagnet Mn3Si2Te6
Resta A. Susilo, Chang Il Kwon, Yoonhan Lee, Nilesh P. Salke, Chandan De, Junho Seo, Beomtak Kang, Russell J. Hemley, Philip Dalladay-Simpson, Zifan Wang, Duck Young Kim, Kyoo Kim, Sang-Wook Cheong, Han Woong Yeom, Kee Hoon Kim & Jun Sung Kim
(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-48432-9)
- 1.위상학(topology): 연속적인 변형에도 고유하게 유지되는 기하학적인 특성을 기술하는 수학의 한 분야로, 최근 고체물질의 전자 파동함수의 특성을 기하학적으로 설명하는 개념으로 확장되었다.‘위상학적인 전자상태'는 보통의 전자상태와 위상학적으로 구별되는 상태를 의미한다.
- 2.스핀(spin): 전자들의 자전에 대응되는 각운동량으로 자석의 자기모멘트의 원인이 된다.
- 3.스핀트로닉스(spintronics): 전자의 전하대신에 전자 고유의 자기 모멘트인 스핀을 이용하여 정보를 처리하고 저장하는 기술을 말한다.
- 4.이상 홀 효과(anomalous Hall effect): 외부 자기장이 없어도 자석 내부의 양자역학적 자기장에 의해 전자의 흐름이 전기장과 수직한 방향으로 편향되는 현상이다. 위상 전자상태가 전기 전도의 기여가 클 때 이러한 효과가 커진다.
- 5.스핀-궤도 상호작용 (결합): 전자의 스핀과 그 운동 경로가 상호작용하는 것을 의미한다.
[그림설명]
(왼쪽) 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 구조. 텔루륨(Te, 회색)과 망간 원자(Mn1, 빨간색)로 구성된 층 사이에 또 다른 망간 원자(Mn2, 빨간색)가 끼어있는 특별한 구조
(오른쪽) 페르미 준위보다 0.15 eV아래에 위상 전자 상태인 Te 5p 원자가띠가 형성되어 있다
(왼쪽) Mn3Si2Te6의 위상 전자상태의 위치가 압력에 의해 상승하다가 페르미 준위에 닿을 때 스핀 재정렬에 의해 에너지 간격이 생기는 것을 보여주는 모식도.
(오른쪽) 페르미 준위에서 위상 전자상태가 닿을 때 나타나는 위상 전도 현상 (이상 홀 효과)