강자성체도 반강자성체도 아닌 제3의 자성체인 'Altermagnetic'

by Nat / https://unsplash.com/ja/%E5%86%99%E7%9C%9F/%E9%9D%92%E3%81%AE%E3%83%86%E3%82%AD%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%AB%E3%81%AB%E8%B5%A4%E3%81%A8%E9%9D%92%E3%81%AE%E3%83%86%E3%82%AD%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%AB-9l98kFByiao

강자성체와 반강자성체의 특성을 겸비한 제3의 자성체로서 존재가 기대되고 있던 'Altermagnetic(알터 자성체)'가 처음으로 확인되었습니다. 알터 자성체는 신종 자기 컴퓨터의 제조 등에 도움이 될 것으로 기대되고 있습니다.

The existence of a new kind of magnetism has been confirmed | New Scientist
https://www.newscientist.com/article/2417255-the-existence-of-a-new-kind-of-magnetism-has-been-confirmed/

The existence of a new kind of magnetism has been confirmed

Altermagnetism experimentally demonstrated
https://phys.org/news/2024-02-altermagnetism-experimentally.html

Altermagnetism experimentally demonstrated

자성은 자기장에 놓일 때 물질이 다른 물질에 인력이나 척력을 가하는 현상 중 하나입니다. 자성은 물체를 구성하는 전자의 스핀에 의해 일어나는 현상으로 전자의 스핀이 같은 방향을 향하고 있을 때에 강자성이 됩니다.

20세기까지 외부로부터 자기장이나 전류의 공급을 받지 않아도 자석으로서의 성질을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 영구자석은 강자성체만이라고 생각되었습니다. 강자성체는 냉장고나 나침반의 바늘 등 다양한 곳에서 응용되고 있습니다.

1930년대 프랑스 물리학자인 루이 네르는 전자 스핀이 번갈아 상하하는 반강자성이라는 신종 자성을 발견했습니다. 반강자성체는 강자성체와 같은 외부 자기장을 가지지 않지만 전자 스핀의 회전 방향이 번갈아 다르기 때문에 흥미로운 내부 자성을 나타냅니다.

또한 2019년이 되면 어떤 종류의 반강자성체의 결정구조에 있어서 종래의 이론에서는 설명할 수 없는 '이상 홀 효과'(자성체에 전기장을 가하면 전기장과 평행 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 전류가 발생하는 현상)가 발생하는 것이 확인되었습니다. 이때 전류는 외부 자기장이 없어도 흐르고 있었다고 합니다.

그 후의 연구에서는 이상 홀 효과를 일으키는 결정구조를 전자 스핀의 관점에서 분석한 결과 'Altermagnetism(알터 자성)'이라는 신종 자성의 존재가 제창되었습니다. 연구에서 알터 자성체는 반강자성체처럼 보이지만, 전자 스핀은 어느 각도에서 회전시켜도 동일하게 보이는 것으로 나타났는데 이것은 이상 홀 효과의 이론을 정확하게 설명하는 것이었습니다. 그러나 결정의 전자구조를 실제로 확인하기에는 이르지 않았기 때문에 알터 자성이 정말로 존재하는 것인지에 대해서는 확신이 얻어지지 않았습니다.

by Shubham Dhage / https://unsplash.com/ja/%E5%86%99%E7%9C%9F/%E7%B4%AB%E3%81%A8%E7%99%BD%E3%81%AE%E7%85%A7%E6%98%8E%E5%99%A8%E5%85%B7-ykFTt5Dq1RU

그런 가운데 스위스의 파울 쉘러 연구소에 근무하는 유라이 클렘파스키 연구팀이 지금까지 반강자성체라고 생각되고 있던 텔루르화 망간의 결정내의 전자구조를 측정하여 알터 자성의 존재를 확인하는 데 성공했습니다.

연구팀은 빛이 텔루르화 망간으로 튀어나오는 방법을 측정하고 결정 내부의 전자의 에너지와 속도를 측정했습니다. 이러한 전자를 매핑한 결과 알터 자성체의 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 것이 밝혀졌습니다. 전자는 두 그룹으로 나뉘어 결정 내부의 전자의 비정상적인 움직임을 가능하게 하고 이것이 알터 자성 특성의 원천이 되고 있다고 연구팀은 보았습니다.

클렘파스키 씨는 “이번 연구결과는 알터 자성체에 대해 말할 수 있는 직접적인 증거이며 알터 자성체가 이론에서 추측된 대로 거동하는 것이 증명되었다”라고 말했습니다.

영국의 요크 대학에 재적하는 리처드 에반스 씨는 "알터 자성체가 실제로 존재한다는 것은 정말 좋은 검증"이라며 알터 자성체는 전자가 반강자성체의 전자보다 자유롭게 이동할 수 있다고 할 뿐만 아니라, 강자성체와 같이 외부 자기장이 없다는 특징도 아울러 가지고 있다고 지적했습니다. 이 특성을 살려 알터 자성체를 이용해 간섭하지 않는 자기 디바이스를 만들 수 있게 된다고 시사했습니다.

과학계 미디어의 New Scientist는 “알터 자성체의 특성을 이용함으로써 컴퓨터의 하드디스크 드라이브(HDD)의 기억용량을 증대시킬 수 있을 가능성이 있습니다. 알터 자성체의 경우 기존의 것보다 고밀도로 자성체 재료를 담을 수 있게 될 가능성이 있습니다"라고 전망했습니다.

또한 리즈 대학의 조셉 버커 씨는 알터 자성체의 등장으로 "전류 대신 자기 스핀을 이용하여 측정이나 계산을 실행하는 자기 컴퓨터"의 실현에 한 걸음 다가왔다고 기대를 나타냈습니다.