UCF 연구진이 층상 물질에서 알터자성의 흔적을 찾았다

UCF 연구팀은 층상 물질 Co₁/₄TaSe₂에서 알터자성의 징후를 실험으로 확인했다. 이 물질의 전자 상태는 서로 반대 방향의 스핀 편극을 보였다.

매드하브 네우파네(Madhab Neupane) UCF 물리학 교수와 공동 연구자들은 이번 결과를 Nature Communications에 발표했다. 알터자성은 주변 부품에 간섭을 일으키는 자기장을 억제하면서 전자 스핀을 이용할 가능성이 있어, 차세대 컴퓨팅과 데이터 저장용 전자·스핀트로닉스 소자를 연구하는 데 참고가 될 수 있다.

알터자성은 자석의 두 성질을 일부 결합한 자기 상태다. 서로 반대 방향으로 정렬된 자석을 떠올리면 쉽다. 다만 알터자성은 외부로 새는 자기장을 줄이는 동시에 전자 스핀의 흐름을 만들고 감지할 수 있다는 점에서 일반적인 반강자성과 구별된다.

강자성체에서는 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬돼 자기장을 만든다. 이 성질은 전자기기에 쓸 수 있지만, 주변 부품에 영향을 주는 불필요한 자기장이 생길 수 있다. 반강자성체에서는 자기 모멘트가 반대 방향을 향해 서로 상쇄되므로 이런 자기장이 대체로 줄어든다. 하지만 강자성체에서 활용할 수 있는 전자적 성질 일부는 부족하다.

알터자성체는 반강자성체처럼 불필요한 자기장을 억제하면서도 스핀 전류를 만들고 감지할 수 있다. 스핀 전류는 전자 스핀이 물질 안을 이동하는 흐름이다. 연구자들은 이 흐름을 미래 전자기기의 정보 전달에 활용할 수 있을지 살펴보고 있다.

알터자성의 징후를 어떻게 확인했나

네우파네 연구팀은 Co₁/₄TaSe₂의 전자가 어떻게 움직이는지 측정했다. 각도분해 광전자 분광법(ARPES)은 전자의 에너지와 움직임을 측정해 물질의 전자 구조를 그리는 방법이다. 연구팀은 로런스 버클리 국립연구소의 Advanced Light Source와 스탠퍼드 싱크로트론 방사광원에서 측정했다.

먼저 전자의 스핀에 민감하지 않은 고해상도 방법으로 에너지 준위가 갈라지는 현상을 측정했다. 이어 스핀 분해 ARPES로 전자 상태를 살폈다. 연구팀은 물질의 전자 밴드에서 특징적인 분리를 확인했고, 갈라진 상태들이 서로 반대 방향의 스핀 편극을 띤다는 점을 관찰했다. 이는 알터자성의 핵심 증거다.

광전자 측정은 물질 표면의 상태에 매우 민감하다. 따라서 연구팀은 정확한 측정을 위해 표면이 매우 깨끗한 시료가 필요했다. 공동 연구자들이 고품질 Co₁/₄TaSe₂ 시료를 만들었고, 네우파네 연구팀은 표면 상태를 확인한 뒤 전자 거동을 측정했다. 실험 결과가 이론적 예측과 일관되게 맞아떨어진 점도 연구팀이 층상 알터자성을 확인했다고 판단한 근거가 됐다.

이 물질이 연구 플랫폼으로 주목받는 이유는

Co₁/₄TaSe₂는 매우 얇은 층들이 쌓인 물질이다. 층 사이의 결합이 약해 층을 분리하거나 다시 결합할 수 있고, 이에 따라 얇은 박막 소자와 같은 구조를 연구하기에 적합하다. 이런 층상 물질은 전이금속 칼코게나이드(TMD) 계열에 속한다.

층 사이에 들어간 자성 코발트 원자가 이 물질의 특이한 자기 성질을 만드는 데 관여한다. 층상 구조는 물질의 성질을 조절하고 변화를 관찰하기에도 유리하다. 연구팀은 알터자성의 주요 전자 상태가 표면에서 비롯되는지, 물질 내부에서 비롯되는지도 살폈다. 측정 결과 해당 상태는 주로 물질 내부에서 생겼으며, 알터자성 질서의 뚜렷한 징후를 보였다.

이번 연구의 대학원생 책임 연구자인 마일로 스프래그(Milo Sprague)는 변형하기 쉬운 물질을 확보해 스핀 편극 전자 상태가 다른 자기 현상과 어떻게 상호작용하는지 살펴볼 수 있다고 설명했다. 알터자성 이론에서는 이 상호작용을 두고 논의가 이어지고 있다.

실제 전자기기에 쓰이려면 무엇을 더 알아야 하나

일반적인 전자기기는 전자의 전하를 움직여 정보를 전달하고 처리한다. 스핀트로닉스는 전자의 또 다른 양자적 성질인 스핀을 정보 전달에 활용하려는 분야다. 층상 알터자성체는 얇고 조절 가능한 물질에서 스핀 전류를 다루면서 불필요한 자기장 간섭을 줄일 가능성이 있어, 소형·고속·저전력 전자기기 연구의 후보가 될 수 있다.

네우파네 연구팀은 스핀 전류를 생성하고 감지하면서 외부로 새는 자기장을 줄이는 성질이 스핀트로닉스, 초고속 메모리, 테라헤르츠 네트워크, 에너지 효율이 높은 전자기기에 쓰일 가능성을 제시했다. 다만 이는 향후 응용 가능성에 관한 연구진의 설명이지, 해당 기기에서 성능을 입증했다는 뜻은 아니다.

연구진은 알터자성 상태가 왜 생기는지, 강자성이나 다른 형태의 반강자성보다 어떤 조건에서 유리해지는지, 실제 물질에서 어떻게 작동하는지를 아직 충분히 이해하지 못했다고 밝혔다. 이론 연구는 전자 사이의 여러 상호작용이 어떤 자기 상태가 형성되는지 결정하는 데 관여할 수 있다고 제안하지만, 그 이론이 실제 물질의 거동을 얼마나 설명하는지는 더 확인해야 한다. Co₁/₄TaSe₂의 성질을 조절하며 변화를 살필 수 있다는 점은 이런 질문을 연구할 기반을 제공한다.

실험은 미국 에너지부 과학국의 지원을 받았으며, 지원 번호는 DE-SC0024304다. 이 연구는 알터자성의 실험적 징후를 제시했지만, 실제 소자에서의 성능이나 응용 가능성이 입증됐다고 밝히지는 않았다.