스스로 자성을 띠면서도 위상학¹⁾적 전자상태를 갖는 위상 강자성체가 등장했다. 선(line) 형태의 위상학적 특이점²⁾과 강자성³⁾을 지닌 물질이 발견된 건 이번이 처음이다.

우리원 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 연구진이 발견한 물질은 철 기반의 Fe₃GeTe₂이다. 위상성질과 강자성을 동시에 가진 것이 특징이다.

위상물질의 특징은 뫼비우스 띠에 비유할 수 있다. 뫼비우스 띠는 찢지 않으면 정상적인 띠로 만들 수 없다. 마찬가지로 위상물질의 전자구조 역시 물질의 화학구조가 바뀌지 않는 한 계속 보존된다. 이런 위상학적 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강한 양자 소자를 구현할 수 있다. 정보 손실 없는 양자 소자 구현의 핵심이 위상성질이라 최근 많은 연구진들이 관심을 갖고 있다.

▲ 연구진이 철 원자 기반으로 새로 합성한 물질인 Fe₃GeTe₂(오른쪽)는 그래핀(왼쪽)과 비슷한 육각 벌집 모양과 반데르발스 구조를 갖고 있다. Fe₃GeTe₂는 철 원자(Fe, 빨간색)와 게르마늄 원자(Ge, 녹색)으로 이뤄진 층 사이에 텔루륨(Te, 회색)이 껴있다.

연구진이 합성한 Fe₃GeTe₂는 그래핀과 비슷한 점이 많다. 육각 벌집형태에 반데르발스 구조도 나타난다. 벌집구조는 위상학적 특성을 결정하는 매우 중요한 요소다. Fe₃GeTe₂는 원자 간 결합이 약한 힘으로 연결된 반데르발스 구조를 갖고 있다. 철(Fe)과 게르마늄(Ge)이 결합된 층 사이에 텔루륨(Te)이 껴있는 구조라 한 층씩 떼어내 2차원 강자성체를 만들 수 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 2차원 반도체 물질들과도 쉽게 결합된다는 장점이 있어 소자 개발에도 널리 응용될 것으로 보인다.

Fe₃GeTe₂는 위상학적 특이점이 선(line) 형태로 길게 분포되어 있다. 이 선을 따라 양자역학적 자기장이 크게 생기는데 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.

▲ Fe₃GeTe₂이 가진 위상학적 특이점은 에너지와 운동량 공간에서 전자띠가 서로 만나는 지점에서 형성된다(왼쪽). 특이점이 길게 늘어서서 선 모양을 하고 있음을 볼 수 있다. 위상학적 특이점을 따라 양자역학적 자기장이 생긴다(오른쪽).

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.

▲ 보통 금속에서는 외부에서 자기장이 가해질 경우, 전자가 휘면서 물질 경계면에 전하가 쌓이는 홀 효과가 생긴다(왼쪽). 이에 반해 강자성의 금속일 경우, 외부 자기장 없이도 전자가 휘어져 홀 효과가 발생하며 경계면에 전하가 쌓인다(오른쪽). 이를 이상 홀 효과라 한다. 위상 강자성체(Fe₃GeTe₂)는 위상학적 특이점 근처에 이상 홀 효과가 크게 나타난다. 특이점 근처에 양자역학적 자기장으로 인해 스핀이 정렬된 전하들이 물질의 경계에 쌓이는데 그 양이 보통의 자성체에 비해 훨씬 많다는 게 특징이다.

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.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경