새로운 유형의 자성(magnetic) 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-11-17 21:39:04
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- 이동 전자에 의해 생성되는 스핀 정류를 발견
- 특정 전자 밀도 이상에서는 일반적인 상호작용이 발생하지 않고 물질이 갑자기 강자성 돼
- 고체 상태에서의 운동자기의 첫 번째 증거
주방 자석부터 지구의 지구 발전기까지 대부분 자석은 동일한 원리로 작동한다. 원자의 스핀이 모두 같은 방향을 향하고 있기 때문에 자기장이 생성된다. 반면, 비자성 물질에서는 스핀의 방향이 정해져 있지 않으므로 스핀의 효과가 서로 상쇄된다. 일반적인 강자성에서는 소위 교환 상호작용을 통해 스핀 정류가 발생하는데, 이는 일반적으로 전자의 효과적인 반발에도 불구하고 정렬된 정렬을 에너지적으로 더 유리하게 만든다.
이동된 그리드
그러나 ETH Zurich의 Livio Ciorciaro가 이끄는 물리학자들의 실험이 증명했듯이 또 다른 방법이 있다. 연구를 위해 그들은 모아레 물질의 자기 특성을 더 자세히 조사했다. 이 물질은 두 개의 층으로 구성되어 있으며 각 층은 원자 두께가 1개에 불과하다. 이는 2차원 원자 격자 사이의 상호작용으로 이어지며, 이는 이러한 재료에 특이한 특성을 부여한다. 예를 들어 그래핀은 초전도체가 된다.
"이러한 모아레 물질은 고체 물질에서 강하게 상호작용하는 전자의 양자 효과를 매우 잘 연구하는 데 사용될 수 있기 때문에 최근 몇 년 동안 큰 관심을 불러일으켰다"고 ETH의 수석 저자인 Ataç Imamoğlu는 설명한다. "지금까지 자기 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다." 이것이 바로 Imamoğlu와 그의 팀이 두 개의 서로 다른 반도체로 만들어진 모아레 물질에 대해 이를 조사한 이유다.
전압을 받는 반도체 이중 층
실험을 위해 물리학자들은 두 개의 그리드 층(이셀레나이드 몰리브덴(MoSe2)으로 만들어진 것과 황화텅스텐(WS2)으로 만들어진 것)을 서로의 위에 배치했다. 두 개의 단층 사이의 서로 다른 그리드 폭과 서로 다른 각도는 모아레 초격자를 생성한다고 팀은 보고했다. 두 그리드 층의 금속 원자가 만나는 곳은 전자가 우선적으로 축적되는 삼각형 패턴을 형성한다.
이제 물리학자들은 이 이중 층에 점진적으로 증가하는 전압을 가하고 공초점 레이저 현미경을 사용하여 전자의 행동과 스핀의 정렬을 관찰했다. 후자는 조사된 레이저광과 반사된 레이저광의 편광으로 볼 수 있다. 스핀의 정렬을 통해 물질이 자성인지 아닌지를 알 수 있다.
갑자기 강자성 띄어
인가된 전압이 모아레 격자 위치의 한 부분을 전자로 점유하기에 충분할 경우 이중 물질은 상자성을 유지하는 것으로 나타났다. 전자는 서로 다른 방향으로 회전하고 모아레 물질에는 자기 인력이 없다. 그러나 전압이 증가하면 상황이 달라진다. 각 격자 위치에 적어도 하나 이상의 전자가 있으면 반도체 이중은 긴 전이 단계 없이 갑자기 강자성이 된다.
그러나 이상한 점은 "실제로 이 구성의 자기 특성은 교환 상호 작용에 의해서만 결정되어야 한다"고 Ciorciaro와 그의 동료들은 설명했다. 이러한 상호작용과 관련하여 분석 결과에 따르면 모아레 물질은 전자 밀도가 증가하더라도 실제로 계속 상자성을 유지해야 한다. Imamoğlu는 “이것은 교환 상호작용으로는 설명할 수 없는 새로운 유형의 자력을 보여주는 놀라운 징후였다”고 말했다.
더 큰 이동성을 위한 평행 회전
그런데 이 이중 층 물질에서 자성은 어떻게 발생하는 걸까? 연구진은 “우리는 관찰된 자기 거동을 나가오카 메커니즘에 기인한다”고 설명한다. 이 메커니즘은 1966년 일본의 물리학자 나가오카 요스케(Yosuke Nagaoka)에 의해 이론적으로 예측되었으나 확장고체에서는 입증된 적이 없다. 따라서 이동 전하 캐리어는 운동 에너지를 낮추면 물질의 정렬된 스핀 정렬을 유발할 수 있다.
더 간단히 말하면, 모든 전자스핀이 평행할 때 이동 전자는 방해받지 않고 효율적으로 물질을 통과하여 이동할 수 있다. 그런 다음 그들은 소위 더블론이라고 불리는 쌍으로 조립되고 이러한 형태로 그리드를 통해 터널을 뚫는다. 전자스핀이 무질서해지면 방해가 되는 덤불처럼 작용하여 전파가 더욱 어려워질 것이다.
고체 상태에서의 운동자기의 첫 번째 증거
따라서 물리학자들은 새로운 형태의 자기를 입증했다. 모아레 반도체는 나가오케 메커니즘을 통해 강자성이 되었다. 이는 확장된 고체에서 이러한 운동 자기의 첫 번째 증거다. "지금까지 이러한 운동자기 메커니즘은 예를 들어 4개의 양자점으로 구성된 모델 시스템에서만 입증되었다"고 Imamoğlu는 설명했다.
이제 팀은 이 새로운 자성 물질의 특성을 추가로 조사하기를 원한다. 무엇보다도 그들은 더 높은 온도에서도 강자성이 유지되는지를 알고 싶어한다. 현재 실험에서는 전자 정렬을 더 잘 이해하기 위해 재료를 절대 영도보다 10분의 1도까지 냉각했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06633-0)
출처: 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich)
- 이동 전자에 의해 생성되는 스핀 정류를 발견
- 특정 전자 밀도 이상에서는 일반적인 상호작용이 발생하지 않고 물질이 갑자기 강자성 돼
- 고체 상태에서의 운동자기의 첫 번째 증거
새로운 유형의 자기(magnetic) 발견
움직이는 전자는 특이한 방식으로 강자성을 생성한다.
놀라운 효과:
물리학자들은 새로운 유형의 자성, 즉 이동 전자에 의해 생성되는 스핀 정류를 발견했다. 이전에 고체에서는 한 번도 발견된 적이 없는 이 운동자기 현상은 연구팀이 두 개의 매우 얇은 반도체 층인 몰리브덴 이셀레나이드와 텅스텐 황화물을 서로 포개어 전을 가했을 때 발생했다. 특정 전자 밀도 이상에서는 일반적인 상호작용이 발생하지 않고 물질이 갑자기 강자성이 된다.
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| ▲ 물리학자들은 이동 전하 캐리어의 운동 에너지를 최소화하기 위해 물질의 전자 스핀이 평행하게 정렬되는 새로운 형태의 자성(오른쪽)을 발견했다. 왼쪽은 비교를 위해 스핀이 불규칙한 비자성 물질이다. © ETH 취리히 |
주방 자석부터 지구의 지구 발전기까지 대부분 자석은 동일한 원리로 작동한다. 원자의 스핀이 모두 같은 방향을 향하고 있기 때문에 자기장이 생성된다. 반면, 비자성 물질에서는 스핀의 방향이 정해져 있지 않으므로 스핀의 효과가 서로 상쇄된다. 일반적인 강자성에서는 소위 교환 상호작용을 통해 스핀 정류가 발생하는데, 이는 일반적으로 전자의 효과적인 반발에도 불구하고 정렬된 정렬을 에너지적으로 더 유리하게 만든다.
이동된 그리드
그러나 ETH Zurich의 Livio Ciorciaro가 이끄는 물리학자들의 실험이 증명했듯이 또 다른 방법이 있다. 연구를 위해 그들은 모아레 물질의 자기 특성을 더 자세히 조사했다. 이 물질은 두 개의 층으로 구성되어 있으며 각 층은 원자 두께가 1개에 불과하다. 이는 2차원 원자 격자 사이의 상호작용으로 이어지며, 이는 이러한 재료에 특이한 특성을 부여한다. 예를 들어 그래핀은 초전도체가 된다.
"이러한 모아레 물질은 고체 물질에서 강하게 상호작용하는 전자의 양자 효과를 매우 잘 연구하는 데 사용될 수 있기 때문에 최근 몇 년 동안 큰 관심을 불러일으켰다"고 ETH의 수석 저자인 Ataç Imamoğlu는 설명한다. "지금까지 자기 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다." 이것이 바로 Imamoğlu와 그의 팀이 두 개의 서로 다른 반도체로 만들어진 모아레 물질에 대해 이를 조사한 이유다.
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| ▲ a, 전도대의 모아레 전위. 전자는 MM 사이트에서 잠재적 최소값을 차지한다. (출처: Kinetic magnetism in triangular moiré materials / nature) |
전압을 받는 반도체 이중 층
실험을 위해 물리학자들은 두 개의 그리드 층(이셀레나이드 몰리브덴(MoSe2)으로 만들어진 것과 황화텅스텐(WS2)으로 만들어진 것)을 서로의 위에 배치했다. 두 개의 단층 사이의 서로 다른 그리드 폭과 서로 다른 각도는 모아레 초격자를 생성한다고 팀은 보고했다. 두 그리드 층의 금속 원자가 만나는 곳은 전자가 우선적으로 축적되는 삼각형 패턴을 형성한다.
이제 물리학자들은 이 이중 층에 점진적으로 증가하는 전압을 가하고 공초점 레이저 현미경을 사용하여 전자의 행동과 스핀의 정렬을 관찰했다. 후자는 조사된 레이저광과 반사된 레이저광의 편광으로 볼 수 있다. 스핀의 정렬을 통해 물질이 자성인지 아닌지를 알 수 있다.
갑자기 강자성 띄어
인가된 전압이 모아레 격자 위치의 한 부분을 전자로 점유하기에 충분할 경우 이중 물질은 상자성을 유지하는 것으로 나타났다. 전자는 서로 다른 방향으로 회전하고 모아레 물질에는 자기 인력이 없다. 그러나 전압이 증가하면 상황이 달라진다. 각 격자 위치에 적어도 하나 이상의 전자가 있으면 반도체 이중은 긴 전이 단계 없이 갑자기 강자성이 된다.
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| ▲ 모아레 물질은 두 개의 서로 다른 원자 격자가 쌓이거나 동일한 격자의 두 개의 단원자 층(예: 그래핀)이 서로 오프셋되어 배치될 때 생성됩니다. 격자 구조의 편차는 새로운 속성을 생성할 수 있습니다. © iLexx/Getty 이미지 |
그러나 이상한 점은 "실제로 이 구성의 자기 특성은 교환 상호 작용에 의해서만 결정되어야 한다"고 Ciorciaro와 그의 동료들은 설명했다. 이러한 상호작용과 관련하여 분석 결과에 따르면 모아레 물질은 전자 밀도가 증가하더라도 실제로 계속 상자성을 유지해야 한다. Imamoğlu는 “이것은 교환 상호작용으로는 설명할 수 없는 새로운 유형의 자력을 보여주는 놀라운 징후였다”고 말했다.
더 큰 이동성을 위한 평행 회전
그런데 이 이중 층 물질에서 자성은 어떻게 발생하는 걸까? 연구진은 “우리는 관찰된 자기 거동을 나가오카 메커니즘에 기인한다”고 설명한다. 이 메커니즘은 1966년 일본의 물리학자 나가오카 요스케(Yosuke Nagaoka)에 의해 이론적으로 예측되었으나 확장고체에서는 입증된 적이 없다. 따라서 이동 전하 캐리어는 운동 에너지를 낮추면 물질의 정렬된 스핀 정렬을 유발할 수 있다.
더 간단히 말하면, 모든 전자스핀이 평행할 때 이동 전자는 방해받지 않고 효율적으로 물질을 통과하여 이동할 수 있다. 그런 다음 그들은 소위 더블론이라고 불리는 쌍으로 조립되고 이러한 형태로 그리드를 통해 터널을 뚫는다. 전자스핀이 무질서해지면 방해가 되는 덤불처럼 작용하여 전파가 더욱 어려워질 것이다.
고체 상태에서의 운동자기의 첫 번째 증거
따라서 물리학자들은 새로운 형태의 자기를 입증했다. 모아레 반도체는 나가오케 메커니즘을 통해 강자성이 되었다. 이는 확장된 고체에서 이러한 운동 자기의 첫 번째 증거다. "지금까지 이러한 운동자기 메커니즘은 예를 들어 4개의 양자점으로 구성된 모델 시스템에서만 입증되었다"고 Imamoğlu는 설명했다.
이제 팀은 이 새로운 자성 물질의 특성을 추가로 조사하기를 원한다. 무엇보다도 그들은 더 높은 온도에서도 강자성이 유지되는지를 알고 싶어한다. 현재 실험에서는 전자 정렬을 더 잘 이해하기 위해 재료를 절대 영도보다 10분의 1도까지 냉각했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06633-0)
출처: 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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