위상학¹⁾적 전자상태(topological state)와 강자성²⁾을 동시에 갖는 물질이 등장했다. 스스로 자성을 띠면서도 선(line) 형태의 위상학적 특이점³⁾을 갖는 위상 강자성체가 발견된 것은 이번이 처음이다.

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.

그림설명

▲ [그림1] 철 원자로 만들어진 위상물질이자 강자성체인 Fe₃GeTe₂

연구진이 철 원자 기반으로 새로 합성한 물질인 Fe₃GeTe₂(오른쪽)는 그래핀(왼쪽)과 비슷한 구조를 갖고 있다. 육각형의 벌집 구조인데, 그래핀의 탄소 대신 철 원자(빨간색)이 주된 구성성분이다. Fe₃GeTe₂의 벌집구조는 위상학적 특성을 결정하는 매우 중요한 요소다. 특히, 철 원자(Fe, 빨간색)와 게르마늄 원자(Ge, 녹색)으로 이뤄진 층 사이에 텔루륨(Te, 회색)이 껴있는 구조다. 둘 사이는 약한 힘으로 연결되어 있는 반데르발스구조(그림1-1)가 특징이다. 물질을 이루는 원소들이 결합될 때 분자간 약한 인력으로 결합된 걸 반데르발스 구조라 한다. 흑연에서 그래핀을 얻는 게 가장 대표적이다. Fe₃GeTe₂ 역시 한 층씩 떼어내 손쉽게 2차원 강자성체를 만들 수 있다는 장점이 있다.
위상학적 구조를 갖는 Fe₃GeTe₂는 대부분의 스핀이 한 방향을 갖고 있는 강자성의 성질을 띤다. 또한, 이 물질은 최근 활발히 연구되고 있는 2차원 물질과도 결합이 용이해 다양하게 응용될 것으로 기대된다.

▲ [그림2] Fe₃GeTe₂ 전자구조의 위상학적 특이점Fe₃GeTe₂의 전자구조의 위상학적 특이점을 설명하는 모식도. 위상학적 특이점은 에너지와 운동량 공간에서 전자띠가 서로 만나는 지점에서 형성된다(왼쪽). 특이점을 중심으로 단면을 살펴보면 운동량과 에너지가 만나는 지점인 특이점이 길게 늘어서는 모습을 볼 수 있다. 위상학적 특이점은 다른 운동량 방향으로 늘어선 선을 따라 양자역학적 자기장이 생긴다(오른쪽).

▲ [그림3] 홀 효과와 이상 홀 효과 보통 금속에서는 외부에서 자기장이 가해질 경우, 전자가 휘면서 물질 경계면에 전하가 쌓이는 홀 효과가 생긴다(왼쪽). 이에 반해 강자성의 금속의 경우, 외부 자기장 없이도 전자가 휘어져 홀 효과가 발생하며 경계면에 전하가 쌓인다(오른쪽). 이를 이상 홀 효과라 한다. 위상학적 구조를 지니면서 동시에 강자성의 성질을 띤 위상 강자성체(Fe₃GeTe₂)는 위상학적 특이점 근처에 이상 홀 효과가 크게 나타난다. 특이점 근처에 양자역학적 자기장으로 인해 스핀이 정렬된 전하들이 물질의 경계에 쌓인다. 그 양이 보통의 자성체에 비해 훨씬 많다는 게 이번 연구에서 합성한 물질의 특징이다.