연구성과

물리 김준성 교수팀, 위상 자성 반도체의 스핀 물성 원리 규명

2024-06-03 244

[POSTECH · 서울대, 위상 전자상태를 이용한 자성 반도체의 전자기 물성 조절]

POSTECH 물리학과(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단) 김준성 교수 · 서울대 물리학과 김기훈 교수 공동 연구팀은 위상학(topology)*1적으로 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 스핀트로닉(spintronic)*3 분야를 이끌 소재로 세계적인 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 이와 관련된 연구가 부족한 상황이다.

김준성 교수 연구팀은 이러한 위상 자성 반도체의 전기적 특성을 조사하는 연구를 이어오고 있다. 2021년, 위성 자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 전기 저항이 스핀 방향에 따라 최대 10억 배까지 바뀌는 현상을 학계에 보고한 적이 있다. 이번 연구에서는 이 물질에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도하는 실험을 진행했다.

실험 결과, 반도체-금속 상전이 과정에서 이상홀 효과(anomalous Hall effect)*4가 급격하게 커지는 등 물질의 전기전도 특성이 변화했으며, 동시에 스핀 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 스핀 재정렬 전이가 발생했다. 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 결합*5이 스핀 정렬 상태에 영향을 미쳐 물질의 자성을 변화시킨 것이다. 이처럼 압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태 조절하고, 독특한 스핀 물성 변화를 관측한 것은 이번 연구가 처음이다.



김준성 교수는 “위성 자성 반도체의 위상학적 전자상태와 전자기적 물성 간의 관계를 이해하고, 이를 스핀트로닉 기술에 활용하는 데 이번 연구가 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 우수연구자교류지원사업 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: 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. 스핀트로닉(spintronic)
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 결합
전자의 스핀과 그 운동 경로가 상호작용하는 것을 의미한다.

6. 페르미 준위
고체 물질 내부의 모든 전자가 가장 낮은 에너지를 갖는 바닥 상태부터 점차 높은 에너지를 갖는 상태로 순차적으로 채워질 때, 마지막에 채워지는 가장 높은 에너지를 의미한다.