익숙한 구조에서 발견한 새로운 현상, 위상홀효과
익숙한 구조에서 발견한 새로운 현상, 위상홀효과
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.06.14 16:25
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홀센서는 스마트폰 안에 있는 첨단 센서 가운데 하나로 자기장에 의해 전류방향에 수직으로 생기는 전위차를 이용합니다. 이는 정밀하게 자기장의 크기를 측정하여 방향을 알려주거나 정해진 경로로 로봇을 이동할 때 활용이 가능하죠. 이러한 홀센서를 양자정보에 활용할 수 있는 위상홀효과가 자성체 양자나노구조에서 발견되었다. 위상홀효과란 인접한 스핀들 간의 꼬인 정도에 비례하여 나타나는 홀효과입니다.

연구팀 사진. 출처 : 한국연구재단
연구팀 사진. 출처 : 한국연구재단

한국연구재단은 천승현, 김건 교수(세종대학교), 박성균 교수(부산대학교) 공동 연구팀이 강자성체*-반강자성체** 이중층에서 스커미온(skyrmion)***과 같은 특이한 스핀분포의 상징인 위상홀효과를 발견했다고 밝혔습니다. 

* 강자성체 : 흔히 말하는 자석으로, 철(Fe)과 같이 스핀이 한 방향으로 정렬된 물질

** 반강자성체 :  스핀이 위-아래-위-아래처럼 교대로 정렬된 물질

*** 스커미온(skyrmion) : 스핀이 소용돌이 모양으로 휘감아진 덩어리. 1, 0, -1 등의 위상값을 갖고 있어 데이터의 기본 단위로 쓸 수 있으며, 크기가 아주 작고 안정적이어서 전력소모가 거의 없다.

   

 최근 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심기술로 각광받고 있는 양자 스핀 구조체‘스커미온’은 가상의 자기장에 의한 ‘위상홀효과’라는 독특한 현상을 보이는데, 역으로 위상홀효과의 발견은 이와 같은 스커미온의 존재를 미리 알려주기도 합니다. 기존에는 중금속인 백금이나 위상부도체처럼 큰 스핀-궤도 결합력을 가진 물질과 강자성체의 조합에서만 위상홀효과가 발견되었습니다. 그러나, 스커미온의 위상 특성을 이용한 인공지능 소자 발전이나 위상 양자컴퓨터의 개발을 위해서는 훨씬 넓은 범위로 확장 가능한 위상홀효과 연구가 필요했습니다.

강자성체/반강자성체 이중층에서의 위상홀효과 발견강자성체의 경우 자기 모멘트에 비례하는 이상홀효과(anomalous Hall effect)가 나타남은 잘 알려져 있다. 2차원적 강자성체인 Cr2Te3에서도 같은 결과가 나왔다(왼쪽). 그런데 2차원적 반강자성체인 Cr2Te3를 가까이하면 자기 모멘트의 미분값에 비례하는 위상홀효과(topological Hall effect)로 바뀌게 된다(오른쪽).그림설명 및 그림제공 : 세종대학교 천승현 교수
강자성체/반강자성체 이중층에서의 위상홀효과 발견강자성체의 경우 자기 모멘트에 비례하는 이상홀효과(anomalous Hall effect)가 나타남은 잘 알려져 있다. 2차원적 강자성체인 Cr2Te3에서도 같은 결과가 나왔다(왼쪽). 그런데 2차원적 반강자성체인 Cr2Te3를 가까이하면 자기 모멘트의 미분값에 비례하는 위상홀효과(topological Hall effect)로 바뀌게 된다(오른쪽).그림설명 및 그림제공 : 세종대학교 천승현 교수

연구팀은 원자층 단위로 물질을 쌓는 분자선속증착(MBE)* 장비로 2차원 자성체에 대한 연구를 진행하던 중, 위상홀효과가 나타나는 새로운 메커니즘을 발견하였는데, 기판 위에 강자성체만 증착하면 기존에 알려진 이상홀효과**가 보이는 반면, 반강자성체를 같이 증착할 경우 위상홀효과로 바뀌는 현상을 확인했습니다. 강자성체-반강자성체 이중층은 거대 자기저항 현상이나 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 읽기헤드의 핵심 역할을 담당할 만큼 친숙한 나노구조이지만, 위상홀효과가 발견된 것은 처음입니다.

* 분자선속증착(MBE) 장비 : 원자 단위로 물질을 쌓는 초고진공 장비

** 이상홀효과 : 자기장 대신 자기 모멘트에 비례하여 생기는 수직방향 전위차

 

천승현 교수는“이번 연구 결과가 외부 환경 변화에 관계없이 안정적으로 보존되는 양자정보소자 연구에 실마리를 제공 할 수 있을 것”이라고 전하며, “후속 연구를 통해 2차원 자성체와 위상물질 결합을 시도하여 새로운 양자현상 발견 및 위상 양자컴퓨터 등으로의 활용 가능성을 기대한다”고 말했습니다.

 

연구의 성과는 나노분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 5월 27일 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Emergent topological Hall effect from exchange coupling in ferromagnetic Cr2Te3/noncoplanar antiferromagnetic Cr2Se3 bilayers


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