물리학과

국문 요약

최근 물리학에서는 기존의 강자성체(ferromagnet)나 반강자성체(antiferromagnet)와 구별되는 새로운 자성 상태인 알터자성체(altermagnet)가 주목받고 있다. 알터자성체는 전체적인 자화는 서로 상쇄되어 거의 0이지만, 결정 구조의 대칭성과 결합해 전자의 스핀에 따라 에너지 밴드가 서로 다르게 갈라지는 독특한 성질을 갖는다. 문제는 이러한 물질을 기존 반강자성체와 실험적으로 명확하게 구별할 수 있는 효과적인 방법이 필요하다는 점이다. 연구진은 이에 빛을 비췄을 때 발생하는 비선형 광전류(nonlinear photocurrent)가 알터자성을 확인하는 지표가 될 수 있는지를 이론적으로 연구했다.

비선형 광전류는 물질에 빛을 조사했을 때 단순히 빛의 세기에 비례하지 않고 보다 복잡한 방식으로 발생하는 전류를 의미한다. 이러한 전류는 물질의 결정 대칭성과 전자 밴드 구조에 매우 민감하기 때문에 내부의 미세한 전자 구조를 알아내는 도구로 활용할 수 있다. 연구진은 알터자성체와 반강자성체에서 허용되는 여러 종류의 전하 광전류와 스핀 광전류를 대칭성에 따라 분석했다.

분석 결과, 알터자성체에서는 전하 광전류와 스핀 광전류가 같은 종류의 생성 메커니즘을 가질 수 있어 온도 변화에 따라 두 광전류가 비슷한 방식으로 변할 수 있는 것으로 나타났다. 반면 일반적인 반강자성체에서는 전하 전류와 스핀 전류가 서로 다른 메커니즘에서 발생하기 때문에 온도에 대한 반응도 서로 달라진다. 따라서 온도를 변화시키면서 광전류의 특성을 측정하면 알터자성체와 반강자성체를 구별할 가능성이 있다는 것이 연구진의 설명이다.

연구진은 실제 물질의 예로 알터자성 상태의 산화망간(MnO)을 선택하고, 밀도범함수이론(DFT)을 이용한 제1원리 계산과 단순화된 4개 밴드 모델을 통해 광전류를 분석했다. 특히 원형 편광을 비출 때 발생하는 정상 주입 전류(NIC, Normal Injection Current)에 주목했다. 계산 결과, 이 전류가 흐르는 방향은 밴드의 베리 곡률(interband Berry curvature)과 밀접하게 연관되고, 전류의 크기는 알터자성체의 특징인 교대 스핀 분할(alternating spin splitting) 정도와 연관되는 것으로 나타났다.

연구진의 모델에서는 스핀 분할이 커질수록 주입 광전류의 피크 크기도 거의 선형적으로 커졌다. 이러한 관계는 변형을 가한 MnO 계산에서도 확인됐다. 즉, 단순히 “알터자성인지 아닌지”를 판별하는 데 그치지 않고, 측정된 광전류를 통해 물질 내부 전자의 자기적 밴드 구조에 관한 정보까지 얻을 가능성을 제시한 것이다.

이번 연구는 실험적으로 새로운 소자를 제작한 연구가 아니라 이론 및 제1원리 계산을 통해 새로운 측정 방법을 제안한 연구다. 연구진은 비선형 광전류가 향후 알터자성체의 자기적 상태와 밴드 구조를 확인하는 광학적 탐침으로 활용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 새로운 자성 물질을 탐색하고, 향후 스핀트로닉스 등 전자의 스핀을 활용하는 기술에 필요한 물질 특성을 이해하는 데 기여할 수 있다.

원문링크 :  https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01421