도쿄과학대·도호쿠대 연구진, 격자 상수 14.72 Å 기준으로 준결정 3가지 자성 위상 구분

연구 배경: 준결정의 비전형 자성 탐색

준결정(quasicrystal)과 근사 결정(approximant crystal)은 일반 결정과 다른 독특한 원자 배열을 가지며, 기존 결정에서는 나타나지 않는 비전형적 자성 상태와 양자 현상을 보일 것으로 기대되어 왔다. 그러나 이러한 현상을 체계적으로 탐색할 통일된 기준이 지금까지 존재하지 않았다. 연구팀은 이 공백을 메우기 위해 Tsai형 근사 결정에 주목했다. 이 결정은 이십면체 껍질을 포함한 중첩 원자 클러스터 구조를 가지며, 희토류 원자가 자기 모멘트를 제공한다.

실험 설계: 금 기반 화합물과 희토류 조합

연구팀은 금(Au)에 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga)을 더하고, 여기에 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho) 가운데 하나를 조합한 일련의 화합물을 합성했다. 종전에는 원자당 전자 수, 즉 원자가 전자 농도가 이들 소재의 자성 분류 기준으로 쓰였다. 그러나 이 지표는 조성이 달라지면 예측력이 일관되지 않다는 문제가 있었다.

핵심 발견: 격자 상수가 만드는 자성 위상 지도

연구팀이 주목한 지표는 결정의 반복 단위 크기를 나타내는 격자 상수(lattice parameter)다. 분석 결과, 격자 상수 약 14.72 Å 이상의 화합물은 소용돌이형 반강자성(whirling antiferromagnetic) 상태를, 약 14.62~14.72 Å 구간에서는 소용돌이형 강자성(whirling ferromagnetic) 상태를, 14.62 Å 미만에서는 자기 모멘트가 무질서하게 동결되는 스핀 유리(spin glass) 상태를 나타냈다. 수십 pm(피코미터) 수준의 구조적 차이가 완전히 다른 자성 위상을 구분하는 셈이다. 옹스트롬(Å)은 1미터의 100억 분의 1에 해당한다.

의미와 한계: 소재 설계의 새 출발점

이 통합 자성 위상 다이어그램은 특정 자성 바닥 상태를 목표로 하는 소재 설계에 실질적 로드맵을 제공한다. 연구자들은 격자 상수를 확인하는 것만으로 해당 화합물이 어떤 자성 거동을 보일지 사전에 가늠할 수 있게 된다. 다만 이번 연구는 Tsai형 근사 결정이라는 특정 구조 계열에 한정되어 있어, 다른 위상 기하학적 구조를 갖는 준결정에도 동일한 기준이 적용되는지는 추가 검증이 필요하다. 또한 격자 상수가 자성 상태를 분류하는 물리적 메커니즘에 대한 이론적 설명도 후속 과제로 남는다.

연구진 및 발표

연구는 도쿄과학대 Farid Labib, 도호쿠대 Kazuhiro Nawa, 도쿄과학대 Ryuji Tamura 교수가 주도했다.