기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단의 김준성 연구위원(포스텍 물리학과 부교수), 강상관계 물질 연구단의 양범정 연구위원(서울대 물리학과 조교수), 막스플랑크 한국/포스텍 연구소 김규 박사를 비롯한 국내 공동 연구진은 철 기반의 Fe3GeTe2가 강자성과 위상성질을 동시에 가지는 물질임을 발견했다고 밝혔다.
위상물질의 특징은 뫼비우스 띠에 비유할 수 있다. 뫼비우스 띠를 아무리 변형시켜도 찢지 않으면 정상적인 띠로 만들 수 없는 것처럼 위상물질의 전자구조 역시 물질의 화학구조가 바뀌지 않는 한 계속 보존된다. 이러한 위상학적 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강하면서도 정보 손실 없는 양자 소자를 구현할 수 있어 최근 전 세계적으로 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
연구진이 합성한 Fe3GeTe2에서는 위상학적 특이점이 선(line) 형태로 길게 분포되어 있어 이 선을 따라 양자역학적 자기장이 크게 생긴다. 동시에 강자성체이기 때문에 전자의 스핀 방향이 대부분 한 쪽을 향해 있다. 외부의 자기장이 없어도 전자 각자의 스핀(전자 스스로의 회전운동)에 따라 다른 방향으로 휘어지는 이상 홀효과(Anomalous Hall effect)가 기존 강자성체보다 보다 강하게 나타난다.
그간 많은 연구진들이 보통의 강자성체에서 이상 홀효과를 관측했지만 그 크기가 작았다. 반면 기존의 위상물질은 그래핀이나 위상부도체처럼 자성을 띠지 않은 물질이 대부분이라 양자역학적 자기장 효과가 나타나도 효과가 상쇄되어 관측이 어려웠다. 이번 연구로 위상학적 상태와 강자성 모두 지닌 물질이 실제로 존재하며 양자역학적 자기장의 효과가 크고 안정적이라 강한 이상 홀효과를 관측할 수 있다는 사실을 확인했다.
Fe3GeTe2는 물질 그 자체로도 장점이 많다. 우선 그래핀과 비슷한 점이 많다. 육각 벌집형태에 반데르발스 구조도 나타난다. 원자 간 결합이 약한 힘으로 연결된 반데르발스 구조 특징상 한 층씩 떼어내 2차원 강자성체를 만들 수 있다.
Fe3GeTe2 구조가 철(Fe)과 게르마늄(Ge)이 결합된 층 사이에 텔루륨(Te)이 껴있기 때문이다. 최근 활발히 연구되고 있는 2차원 반도체 물질들과도 쉽게 결합된다는 장점이 있어 소자 개발에도 널리 응용될 것으로 보인다.
공동 제1저자인 김규 박사는 “위상학적 특성을 가진 강자성체는 자연계에 많이 존재할 것으로 기대된다”며 “위상 강자성체인 Fe3GeTe2 이해를 통해 앞으로 더 강한 위상 특성을 가진 자성체를 발견할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
위상물질과 강자성 간 상관관계를 이해하고 규명한 이번 연구는 향후 다양한 위상 자성체 물질을 새롭게 디자인하는 등 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다. 위상상태의 강한 이상홀 효과를 이용하면 스핀 전류 조절과 스핀 정보 전달 방법을 응용할 수 있어 스핀을 읽고 쓸 수 있는 미래형 정보소자 개발에도 큰 도움이 될 것으로 전망된다.
연구결과는 물질 분야 세계적 과학저널인 네이처 머티리얼스(Nature Materials, IF 39.235) 온라인판에 7월 17일에 게재됐다. 이번 연구는 IBS와 한국연구재단(선도연구센터사업) 등의 지원을 통해 수행되었다.
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