학과소식

전북대학교 물리학과 진경환 교수 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 김준성·염한웅 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 카고메(Kagome) 격자 구조를 가진 반강자성체 물질 YMn6Sn6에서 외부 자기장으로 전자의 베리 곡률(Berry curvature)과 전도도를 획기적으로 제어하여 세계 최고 수준의 ‘거대 이상 홀 전도도’를 구현하고 그 원리를 규명하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 “Colossal Magnetic-Field-Induced Anomalous Hall Conductivity in a Kagome Antiferromagnet YMn6Sn6”라는 제목으로 재료 및 물리학 분야 세계적 권위지인 Advanced Science (JCR 상위 9.4%, Impact Factor 14.1)에 게재되었다.

기존 학계에서는 물질 내부 전자의 양자역학적 성질인 ‘베리 곡률’에 의한 이상 홀 효과가 주로 물질 자체의 자화율(Magnetization)에 비례하여 나타난다고 보았다. 그러나 공동 연구팀은 YMn6Sn6 자성체에 외부 자기장을 가했을 때 스핀이 기울어지는 '스핀 캔팅(Spin canting)' 현상이 발생하면서, 페르미 수준 근처의 디락 밴드와 평판(Flat) 밴드가 크게 분일되어 베리 곡률이 극적으로 증대되는 현상을 발견했다. 이 과정에서 형성된 베리 곡률과 불순물에 의한 비대칭 산란(Skew scattering) 메커니즘이 시너지를 일으키며 이상 홀 전도도가 최대 약 2.5×104 S/cm라는 거대한 수치에 도달함을 검증했다. 이는 고체 자성체 소재 분야에서 보고된 수치 중 상위 최고 수준에 해당한다.

이번 연구는 카고메 반강자성체에서 외부 자기장을 이용해 전자의 양자역학적 위상 성질(베리 곡률)을 정밀하게 조절할 수 있음을 제시함으로써, 기존 자성 스핀소자 한계를 극복할 수 있는 새로운 물리적 경로를 열었다는 점에서 큰 의의가 있다.

본 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 G램프(LAMP) 사업 및 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원을 받아 수행되었다.

논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.77738