단일축 변형으로 교대자성체 단일 자구 분리 및 이상 홀 효과 제어 최초 성공

교대자성, 세 번째 자성 유형의 잠재력

강자성과 반강자성에 이어 최근 규명된 교대자성(altermagnetism)은 두 기존 자성의 특징을 결합한 제3의 자성 유형이다. 반강자성처럼 전체 자화가 상쇄되면서도 스핀 방향에 따라 에너지 대역이 분리되는 특성 덕분에, 발열을 줄이면서 정보를 전달하는 스핀 전송 소자나 차세대 컴퓨터 메모리 분야의 유력한 후보 물질로 부상하고 있다. 소자 소형화에도 유리한 특성을 지닌다고 평가받는다.

다중 자구 문제와 단일축 변형의 해법

교대자성 후보 물질인 육방정계 MnTe는 격자의 3회 회전 대칭성을 충족하기 위해 자기력이 여러 방향으로 분산되는 다중 자구 구조를 자연적으로 형성한다. 이로 인해 각 자구 신호가 중첩되어 실제 자기 구조를 판별하기 어렵다는 문제가 지속돼 왔다. Dai 연구팀은 MnTe 시료에 한 방향으로만 변형을 가하는 단일축 변형 기법을 적용해 이 문제를 처음으로 극복했다. 단일 자구 상태 분리에 성공함으로써, 기존 측정 방법으로도 MnTe의 고유 자기 구조를 명확하게 해석할 수 있는 기반이 마련됐다.

이상 홀 효과의 극성 전환과 베리 곡률

단일 자구 상태를 확보한 연구팀은 이상 홀 효과—전류 인가 시 재료의 자기 구조에 의해 측면 방향으로 전압이 발생하는 현상—에서 매우 날카로운 신호 특성을 포착했다. 특히 230 K(-45°C) 이하에서 단일축 변형의 세기를 조절하면 이상 홀 효과의 극성, 즉 전자 흐름 방향이 반전되는 거동이 확인됐다. 이는 일반적인 자성 재료에서는 나타나지 않는 특이한 현상이다. 연구팀은 자기적 상호작용 자체가 거의 변하지 않는다는 점에 주목해, 이 극성 전환이 변형에 의한 베리 곡률(Berry curvature) 변화에서 비롯된 것으로 분석했다. 베리 곡률은 전자 파동함수의 위상 구조를 기술하는 양으로, 이상 홀 효과 등 위상학적 전기 현상의 핵심 원천으로 알려져 있다.

온도 제어를 대체하는 실용적 수단

기존에는 이상 홀 효과 조절에 온도 변화가 주로 사용됐으나, 실험실 밖에서는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀의 예측에 따르면 1% 변형 변화는 약 150 K의 온도 변화와 동등한 효과를 낸다. 이는 물리적 변형이 온도를 대신하는 실용적 제어 수단으로 기능할 수 있음을 시사한다. 다만 이번 연구에서 실증된 조건은 230 K 이하로 제한돼 있어, 상온 소자 적용을 위해서는 추가 연구가 필요하다.

연구 개요

제1저자는 Sijie Xu(Rice 대학교 대학원생)와 Zhaoyu Liu(Dai 연구팀 연구원)이며, Sam and Helen Worden 물리·천문학과 교수인 Pengcheng Dai가 연구를 이끌었다. 논문 제목은 Strain-Tunable Anomalous Hall Effect in Hexagonal MnTe이고 Physical Review X에 게재됐다(DOI: 10.1103/589s-s1yy).