울산과학대 , 층상 교자성체 전자구조 규명…학술지 발표

황영훈 교수, 고품질 단결정 기반 교자성 스핀 분열·표면 전자상태 규명

'어드밴스드 머티리얼스'·'나노 레터스'에 국제 공동연구 성과 발표

[울산=뉴시스] 층상 교자성체 CoNb₄Se₈의 결정구조와 스핀 분열 전자구조. 위쪽은 결정구조와 규칙적인 원자 배열을 보여주는 회절 무늬(위) 광전자분광 측정과 전자구조 계산을 비교해 스핀에 따라 분리된 밴드를 설명한 연구 그림 (사진=울산과학대 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학대학교 황영훈 교수가 국제 공동연구를 통해 차세대 자성 소재로 주목받는 층상 교자성체의 전자구조를 규명하고, 관련 연구 성과를 국제학술지 2곳에 잇달아 발표했다.

울산과학대는 황 교수가 참여한 연구 논문 2편이 최근 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'와 '나노 레터스(Nano Letters)' 온라인판에 각각 게재됐다고 23일 밝혔다.

이번 연구는 층상 교자성체인 'CoNb₄Se₈'를 대상으로 물질 내부에서 나타나는 스핀 분열 현상을 확인하고, 시료 표면의 원자 배열에 따라 달라지는 전자상태를 구분해 규명한 것이 핵심이다. 황 교수는 두 논문에 공동 교신저자로 참여해 고품질 단결정 합성과 특성 분석을 담당하고 연구 구상에도 기여했다.

교자성(altermagnetism)은 물질 전체의 자화가 상쇄되면서도 전자의 운동량에 따라 서로 반대인 스핀 상태의 에너지가 달라지는 자성 현상이다. 기존 자성 물질과 구별되는 독특한 전자구조를 지녀 차세대 전자소자와 스핀 기반 기술을 위한 연구 분야로 주목받고 있다.

연구팀은 이셀레늄화니오븀(NbSe₂)의 층 사이에 코발트 원자가 규칙적으로 배열된 CoNb₄Se₈를 연구 대상으로 삼았다. 황 교수는 화학기상수송법을 활용해 고품질 단결정을 성장시켰으며, 국제 공동연구진은 이를 바탕으로 결정 구조와 자성, 열용량, 전자구조 등을 분석했다.

'어드밴스드 머티리얼스'에 게재된 논문에서는 광전자분광 측정과 전자구조 계산을 결합해 스핀에 따라 분리된 두 전자 밴드를 확인했다. 또 전자의 운동량이 반대인 지점에서 스핀 신호의 부호가 바뀌고, 대칭성에 따라 신호가 사라져야 하는 방향에서는 측정 오차 범위 내에서 신호가 나타나지 않는다는 점을 확인해 교자성의 특성을 검증했다.

'나노 레터스'에 발표된 논문은 물질 표면의 전자구조에 주목했다.

[울산=뉴시스]울산과학대학교 황영훈 교수 (사진=울산과학대 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

연구팀은 시료를 얇게 박리했을 때 코발트가 노출된 표면과 셀레늄이 노출된 표면의 전자상태가 서로 다르다는 사실을 규명했다. 미세 영역 측정과 이론 계산을 통해 각 표면에서 비롯된 전자상태를 구분했으며, 서로 다른 표면의 신호가 섞일 경우 물질 내부의 스핀 분열을 가리거나 실제와 다른 전자 밴드 구조로 해석될 수 있다는 점도 제시했다.

두 연구는 물질 내부의 교자성 특성을 확인하는 동시에 표면에서 발생하는 전자 신호를 구분할 수 있는 분석 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 얇게 박리한 시료나 서로 다른 물질을 겹쳐 만든 층상 이종구조에서 교자성 전자상태를 분석하는 데 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

이번 성과는 국제 연구진과 3년간 이어 온 공동연구의 결실이다. 국내에서는 포스텍·기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단의 김준성 교수와 송원섭 연구원이 '어드밴스드 머티리얼스' 논문의 열용량 측정과 분석에 참여했다.

황 교수는 지난해 층마다 자화 방향이 직교하는 2차원 층상구조 강자성 물질에 관한 연구를 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표한 데 이어, 층상 자성 물질의 성장과 물성 규명에 관한 국제 공동연구를 지속하고 있다.

이번 연구는 한국연구재단 창의도전연구기반지원사업과 과학기술정보통신부의 기초과학연구원 연구단 지원을 받아 수행됐다.


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