서울대, 위상 자성 반도체 스핀 물성 원리 규명

[캠퍼스人+스토리]
반도체 전자기 물성 조절

망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 구조로 텔루륨(Te, 회색)과 망간 원자(Mn1, 빨간색)로 구성된 층 사이에 또 다른 망간 원자(Mn2, 빨간색)가 끼어있는 특별한 구조다. (오른쪽) 페르미 준위보다 0.15 eV아래에 위상 전자 상태인 Te 5p 원자가띠가 형성돼 있다. /서울대

김기훈 서울대 물리학과 교수와 김준성 교수 공동 연구팀은 위상학(topology)1)적으로 특이한 전자상태를 이용해 자성 반도체의 스핀(spin)2) 물성을 조절하는 새로운 원리를 규명했다고 2일 밝혔다.

'위상 자성 반도체'는 위상학적으로 특이한 전자상태, 즉 위상 전자 상태를 가지면서 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질이다. 이 반도체는 위상 전자 상태가 없는 기존 자성 반도체와 다른 특이한 전자기적 물성을 나타내 향후 스핀트로닉스(spintronics)3) 분야를 이끌 소재로 세계적인 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 이와 관련된 연구가 부족한 상황이다.

서울대, 포항공대 공동 연구팀은 이러한 위상 자성 반도체 중 2021년 김준성 교수 연구팀에서 발견한 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 전기적, 자기적 특성을 압력하에서 조사했다. 이 물질에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도할 수 있음을 발견했다.

연구팀은 실험 결과 압력으로 조절된 반도체-금속 상전이 과정에서 이상홀 효과(anomalous Hall effect)4)가 급격하게 커지는 등 물질의 전기전도 특성이 변화했다. 동시에 스핀 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 스핀 재정렬 전이가 발생했다. 이는 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 상호작용5)으로 인해 압력으로 조절된 전자상태에 따라 스핀의 정렬 상태가 급격히 바뀌는 것을 의미한다.

연구팀 관계자는 "압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태 조절하고, 압력 변수에 따라 독특한 스핀 물성 변화를 직접 관측한 것은 이번 연구가 최초"라며 "향후 위상자성 물질의 자성 물성 제어에 유용한 새로운 방법으로 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.