교자성

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결정 내 서로 인접한 원자 간의 스핀 방향과 공간 배치가 서로 반대인, 교자성 배치의 예시.

교자성[1](altermagnetism)은 응집물질물리학에서 이상적인 결정에 존재하는 자기 상태 중 하나로,[2][3][4][5][6] 교자성 구조의 결정은 모두 동일선상에 있어 전체 자성은 0으로 상쇄된다.[2][6][7][8] 마찬가지로 전체 자성이 0이 되는 일반적인 동일선상의 반강자성과 달리, 교자성 내 전자 띠구조는 크라머르스 축퇴 상태에 있지 않고, 스핀에 의존하는 파수 벡터와 관련되어 있다.[2] 2024년 교자성과 관련된 실험 결과가 발표되었으며,[9][10] 스핀트로닉스 분야에서 응용할 수 있을 것으로 추정하고 있다.[7][11]

결정 구조 및 대칭[편집]

교자성체 내 원자는, 원자의 스핀 방향과 공간 배치가 서로 교대하는 일정한 패턴을 보인다.[6][8] 자기 모멘트가 반대인 원자들은 결정 회전이나 거울 반전 형태의 교자성 상태에 있으며,[2][6][7][8][9][10] 자성 원자의 공간 배치는 주변의 비자성 원자 사이에 갇혀 만들어질 수도 있다.[8][12] 교자성체인 텔루륨화 망간(MnTe)에서는 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 6방성 결정 회전과 관련되어 있으며,[8][9] 다른 교자성체인 이산화 루테늄(RuO2)에서는 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 4방성 결정 회전과 관련되어 있다.[8][10]

교자성체인 텔루륨화 망간(MnTe, 왼쪽)과 이산화 루테늄(RuO2, 오른쪽)의 교차하는 자성 구조 및 결정 구조.

전기적 구조[편집]

교자성체의 가장 큰 특징은 스핀에 따라 띠구조가 명확히 구분된다는 것으로,[8] 실험적으로는 2024년 처음 관측되었다.[9] 교자성 띠구조에서는 시간 대칭성이 파괴되며,[8][12] 강자성과 마찬가지로 Eks=E-ks 관계가 성립하나 강자성체와 달리 전체 자성이 형성되지는 않는다. 교자성체의 스핀 분극화는 파수 벡터 공간에서 진동하며, 각각 2, 4, 6 스핀 축퇴 노드를 형성한다. 이는 각각 d 궤도, g 궤도, i 궤도에 해당한다.[8] d 궤도 교자성체는 d 궤도 초전도체와 자기 대응 관계에 있다.[13]

  • 교자성 금속의 페르미면. 파란색과 빨간색은 각각 스핀의 극성(위와 아래)을 가리킨다.
    교자성 금속의 페르미면. 파란색과 빨간색은 각각 스핀의 극성(위와 아래)을 가리킨다.
  • 교자성 물질의 띠구조.
    교자성 물질의 띠구조.

교자성체의 띠구조 내 스핀 분극화는 동일선상에서 일어나, 반전 대칭성은 파괴되지 않는다.[8] 교자성체의 스핀 갈라짐은 파수 벡터에서 (kx2-ky2)sz로 동일하다.[8][9] 이산화 루테늄에서는 시간 대칭성의 파괴, 거대한 ~1eV 스핀 갈라짐, 변칙적 홀 효과 현상의 발생이 이론적으로 예측되었으며[12] 실험적으로도 검증되었다.[14]

물질[편집]

2024년 반도체인 텔루륨화 망간과 이산화 루테늄에서 교자성 띠구조가 나타나는 현상이 처음 관찰되었으며,[9][10] 교자성을 띄는 물질은 전도체부터 절연체까지,[7][8] 2차원부터 3차원 물질까지,[4][7] 경원소부터 중원소까지, 비상대론적 띠구조부터 상대론적 띠구조까지 다양하게 분포할 것이라고 추정하고 있다.[8][9][12]

성질[편집]

교자성체는 강자성과 반자성을 부분적으로 동시에 가지는데, 특히 강자성체에 가깝다.[2][6][7][8] 교자성체의 전형적인 특징으로서 홀 효과가 변칙적으로 나타나는 현상이 관측된 바 있으며,[12][14][15] 결정이 회전할 때 스핀 전류가 방향을 바꾸는 변칙적 현상이 나타나기도 한다.[16]

각주[편집]

  1. ↑ 박정연 (2024년 2월 26일). “컴퓨터 메모리 혁신·차세대 노벨상 화두 '교자성'…한국 연구진 두각”. 《동아사이언스》. 
  2. ↑ 가 나 다 라 마 “Altermagnetism—A New Punch Line of Fundamental Magnetism”. 《Physical Review X》 (영어). 2022년 12월 8일. doi:10.1103/physrevx.12.040002. 2023년 12월 2일에 확인함. 
  3. ↑ Mazin, Igor (2024년 1월 8일). “Altermagnetism Then and Now”. 《Physics》 (영어) 17: 4. arXiv:2105.05820. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042. 
  4. ↑ 가 나 Mazin, Igor; González-Hernández, Rafael; Šmejkal, Libor (2023년 9월 5일), 《Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe》, arXiv:2309.02355, 2024년 2월 15일에 확인함 
  5. ↑ Wilkins, Alex (2024년 2월 14일). “The existence of a new kind of magnetism has been confirmed”. 《New Scientist》 (미국 영어). 2024년 2월 15일에 확인함. 
  6. ↑ 가 나 다 라 마 Savitsky, Zack. “Researchers discover new kind of magnetism”. 《Science.org》. 2024년 2월 16일에 확인함. 
  7. ↑ 가 나 다 라 마 바 Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (2022년 12월 8일). “Emerging Research Landscape of Altermagnetism”. 《Physical Review X》 12 (4): 040501. arXiv:2204.10844. Bibcode:2022PhRvX..12d0501S. doi:10.1103/PhysRevX.12.040501. 
  8. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 카 타 파 하 Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (2022년 9월 23일). “Altermagnetism: spin-momentum locked phase protected by non-relativistic symmetries”. 《Physical Review X》 12 (3): 031042. arXiv:2105.05820. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042. ISSN 2160-3308. 
  9. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 Krempaský, J.; Šmejkal, L.; D’Souza, S. W.; Hajlaoui, M.; Springholz, G.; Uhlířová, K.; Alarab, F.; Constantinou, P. C.; Strocov, V.; Usanov, D.; Pudelko, W. R.; González-Hernández, R.; Birk Hellenes, A.; Jansa, Z.; Reichlová, H. (February 2024). “Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy”. 《Nature》 (영어) 626 (7999): 517–522. arXiv:2308.10681. doi:10.1038/s41586-023-06907-7. ISSN 1476-4687. PMID 38356066. 
  10. ↑ 가 나 다 라 Fedchenko, Olena; Minár, Jan; Akashdeep, Akashdeep; D’Souza, Sunil Wilfred; Vasilyev, Dmitry; Tkach, Olena; Odenbreit, Lukas; Nguyen, Quynh; Kutnyakhov, Dmytro; Wind, Nils; Wenthaus, Lukas; Scholz, Markus; Rossnagel, Kai; Hoesch, Moritz; Aeschlimann, Martin (2024년 2월 2일). “Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO 2”. 《Science Advances》 (영어) 10 (5): eadj4883. doi:10.1126/sciadv.adj4883. ISSN 2375-2548. PMC 10830110 |pmc= 값 확인 필요 (도움말). PMID 38295181. 
  11. ↑ “Altermagnetism proves its place on the magnetic family tree”. 《ScienceDaily》 (영어). 2024년 2월 15일에 확인함. 
  12. ↑ 가 나 다 라 마 Šmejkal, Libor; González-Hernández, Rafael; Jungwirth, T.; Sinova, J. (2020년 6월 5일). “Crystal time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect in collinear antiferromagnets”. 《Science Advances》 6 (23). arXiv:1901.00445. doi:10.1126/sciadv.aaz8809. 
  13. ↑ Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (2022년 9월 23일). “Beyond Conventional Ferromagnetism and Antiferromagnetism: A Phase with Nonrelativistic Spin and Crystal Rotation Symmetry”. 《Physical Review X》 12 (3): 031042. arXiv:2105.05820. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042. 
  14. ↑ 가 나 Feng, Zexin; Zhou, Xiaorong; Šmejkal, Libor; Wu, Lei; Zhu, Zengwei; Guo, Huixin; González-Hernández, Rafael; Wang, Xiaoning; Yan, Han; Qin, Peixin; Zhang, Xin; Wu, Haojiang; Chen, Hongyu; Meng, Ziang; Liu, Li; Xia, Zhengcai; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomáš; Liu, Zhiqi (2022년 11월 7일). “An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide”. 《Nature Electronics》 5 (11): 735–743. arXiv:2002.08712. doi:10.1038/s41928-022-00866-z. 
  15. ↑ Gonzalez Betancourt, R. D.; Zubáč, J.; Gonzalez-Hernandez, R.; Geishendorf, K.; Šobáň, Z.; Springholz, G.; Olejník, K.; Šmejkal, L.; Sinova, J.; Jungwirth, T.; Goennenwein, S. T. B.; Thomas, A.; Reichlová, H.; Železný, J.; Kriegner, D. (2023년 1월 20일). “Spontaneous Anomalous Hall Effect Arising from an Unconventional Compensated Magnetic Phase in a Semiconductor”. 《Physical Review Letters》 130 (3). arXiv:2112.06805. doi:10.1103/PhysRevLett.130.036702. 
  16. ↑ Gonzalez Betancourt, R. D.; <C5><A0>mejkal, Libor; Vyborny, Karel; Yahagi, Yuta; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas; Zelezny, Jakub (2021년 3월 26일). “Efficient Electrical Spin Splitter Based on Nonrelativistic Collinear Antiferromagnetism”. 《Physical Review Letters》 126: 127701. arXiv:2002.07073. doi:10.1103/PhysRevLett.126.127701. 
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