[KNS뉴스통신=방계홍 기자] 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 물리‧광과학과 이종석 교수와 서울대학교 물리천문학부 박제근 교수 연구팀이 스스로 자성을 띠면서 위상학 특성을 갖는 반데르발스 물질인 ‘Fe3GeTe2’에서 원자 빈자리를 이용해 물질의 대칭 조절이 가능하다는 것을 처음으로 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 강자성과 위상성질을 동시에 갖는 대표적 반데르발스 자성체인 ‘Fe3GeTe2’에서 철 빈자리에 의해 반전 대칭성이 깨지는 것을 제2차 고조파 생성 기술을 사용해 검증하는 데 성공했다.

반데르발스 물질계는 인접층 사이의 약한 결합력으로 인해 2차원 물리현상을 살펴볼 수 있을 뿐만 아니라 양자전도 현상, 강유전성, 자성 등 다양한 물성을 기반으로 한 전자소자로서 활용될 수 있다.

특히 반데르발스 물질계의 가장 큰 장점은 다양한 성질의 여러 물질을 원자층 단위로 층층이 쌓아 다기능성 나노소자를 구현할 수 있다는 것이다.

시간과 공간에 대한 물질의 대칭성은 해당 물질에서 발현될 수 있는 물리 현상의 종류와 그 특성을 결정하는 핵심적인 역할을 하는데 반전 대칭성이 깨질 경우, 

물질의 전자기적 그리고 광학적 특성이 외부 자극에 대해 비선형적으로 나타날 수 있다.

또한 양(+)극과 음(-)극이 구분되는 극성이 유지되고 제어될 수 있는 강유전성이 확인되는 등 여러 가지 흥미로운 성질이 발현될 수 있다.

위상 물질은 화학 구조가 바뀌지 않은 한 전자 구조를 보존하는 물질이다. 이러한 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강하면서 정보 손실 없는 양자 소자를 구현할 수 있다.

이 같은 위상학적 특이점을 보이는 동시에 강자성체이기도 한 이차원 반데르발스 물질 ‘Fe3GeTe2’는 미래 스핀트로닉스 소재의 후보 물질로서 활발히 연구되고 있다. 

이와 함께 미래 스핀트로닉스 분야에서의 응용 가능성이 높은 큰 스핀-궤도 회전력(spin-orbit torque), 스커미온(skyrmion)의 형성 등의 특성 또한 확인되었다.  

반전 대칭성이 깨어지지 않으면 이러한 현상은 발현되기 힘든데  ‘Fe3GeTe2’에서는 반전 대칭성이 유지되고 있어 그 원인을 밝히는 것 역시 중요하다.

연구팀은 철 빈자리 양을 조절한 ‘Fe3GeTe2’에서 반전 대칭성 깨짐 정도에 비례하는 이차 고조파 신호가 철 빈자리 양이 증가함에 따라 크게 증가한다는 사실을 확인함으로써 철 빈자리에 의해 반전 대칭성이 깨질 수 있다는 것을 검증했다.

연구팀은 또한 공간군 분석을 통해 나사축 대칭성이 파괴되어 전체 구조의 반전 대칭성이 깨진다는 것을 규명했으며, 이러한 기작은 Fe3GeTe2와 유사한 층상 구조를 가지는 다양한 물질군에서 불순물을 통한 반전 대칭성 조절이 가능함을 시사한다고 설명했다.

이종석 교수는 “이번 연구 성과는 원자 빈자리를 통해 물질의 반전 대칭성을 조절할 수 있다는 새로운 접근법을 제시했다”면서, “향후 물리학 및 스핀트로닉스 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자사업, 나노 및 소재 기술개발사업 등의 지원을 받아 재료과학 기초 및 응용 연구 분야의 세계적인 학술지 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’에 2023년 12월 31일 온라인 게재되었다.

방계홍 기자 chunsapan2@naver.com

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