플렛밴드와 강자성 원인, 2차원 카고메 격자 물질에서 찾아내

[산업일보]
고체 내 전자들의 배열 상태는 물질의 특성과 밀접한 연관이 있다. 특히 전자들이 국소적으로 밀집되어 플랫밴드 상태일 때는 강자성을 비롯해 독특한 양자 상태를 가지게 된다. 이를 심도 있게 규명하고 응용하기 위해 연구가 진행 중이지만, 플랫밴드는 아직까지 인위적 구조물에서만 발견될 뿐이며 그 원리도 많이 밝혀지지 않았다.

이에, 한‧중 연구팀이 자연계 고체물질에서 플랫밴드와 강자성의 원인을 규명해, 신소재 개발 연구의 저변을 넓혔다. 조준형 교수(한양대학교) 연구팀이 2차원 카고메 격자 물질에서 플랫밴드의 존재를 입증하고, 강자성의 원인을 규명했다.

연구팀은 자연계에 존재하는 철 기반 고체물질(Fe3Sn2)에서 플랫밴드의 존재를 관찰해냈다. 또한 플랫밴드를 갖는 기하학적인 전자 구조에 의해 강자성 현상이 생긴다는 것을 밝혀냈다.

Fe3Sn2는 마치 대나무로 바구니를 엮은 듯한 형태(카고메 격자)로 입자가 배열되어 있다. 연구 결과, 육각형의 상호 네트워크에서 국소적으로 분자 내 전자 교환상호작용이 일어나면서 강자성이 형성된다.

실험 연구는 젱창간 교수(Changgan Zeng, 중국과학기술대학)가 수행했고, 이론 연구는 조준형 교수, 최진호 박사, 이세호 박사과정생(한양대학교)이 주도했다.

조준형 교수는 “이 연구는 자연계에서 존재하는 철 기반 고체 물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 입증하고 카고메 격자가 가지는 강자성의 원인을 규명한 것이다”라며 “강자성 현상, 고온 분수양자홀 효과, 고온초전도와 같은 다양한 양자현상을 실현할 수 있는 밑거름이 될 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구에서는 자연계에 존재하는 철 기반 2차원 층상구조를 가지는 고체물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 처음으로 입증하였다. 또한 2차원 카고메 격자 화합물인 Fe3Sn2의 강자성은 분자 내 교환상호작용에 의한 스핀 분극을 통해 육각형 셀의 고유한 상호연결 네트워크에 의해 형성됨을 밝혔다.

이와 같은 2차원 카고메 격자에서의 플랫밴드 강자성의 흥미로운 특징은 최근 실험적으로 관찰된 2차원 층상구조를 가지는 반데르발스 강자성 물질의 메커니즘인 자성을 가지는 원자들 사이의 전자 교환상호작용과는 분명히 대조된다는 것이다.

이 연구에서 얻은 새로운 결과들은 2차원 강자성 시스템의 이해에 대한 지평을 넓힐 것으로 사료된다. 또한 전자 또는 홀 도핑에 의한 플랫밴드 전자구조의 제어는 다양한 형태의 새로운 양자현상을 실현 할 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대된다.