2004년 꿈의 소재로 불리는 그래핀이 처음 발견된 이후, 그래핀과 같은 이차원 물질로 신소재를 개발하기 위한 연구가 활발해졌다. 최근 수년 사이에는 이차원 위상을 갖추면서 자성을 띠는 물질에 특히 관심이 집중되고 있다.

국내 출연연·대학 공동연구팀이 세계 최초로 이차원 위상 자성체 물질의 스핀의존 전자구조를 넓은 에너지 영역에서 측정하는 데 성공했다.

▲KRISS 저차원소자물질연구팀 (뒷줄 좌측부터 시계방향으로) 정수용 책임연구원, 이덕현 박사후연구원, 하동한 책임연구원, 이인호 책임연구원, 민근홍 학생연구원) / 사진 제공 : KRISS

이차원 위상 자성체 물질은 미래 양자정보·메모리소자의 핵심 소재로 주목받는 물질이다. 자성체의 물성을 파악하기 위해서는 이를 좌우하는 전자의 스핀 정보를 정확히 측정해야 한다.

지금까지는 전자의 스핀 정보는 아주 작은 에너지 영역에서만 제한적으로 측정 가능해, 상당 부분은 이론적 예측 연구에 의존해야 했다. 전자의 스핀 정보가 외부의 물리적·화학적 환경에 민감하게 반응해 작은 변화에도 쉽게 손실되기 때문이다.

이번 성과는 그동안 이론적 예측에 머물러 왔던 이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정한 전세계 첫 사례다.

▲무결점 반데르발스 결합 FGT 소자의 광학 현미경 이미지 / 사진 제공 : KRISS

연구팀은 스핀의존 전자터널링분광법을 이용해 이차원 위상 강자성체 물질인 Fe3GeTe2(FGT)의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정하고, 이를 이론적 예측값과 비교, 분석해 정확성을 검증했다. FGT는 이차원 상태에서도 자성과 도체성을 띠는 양자위상 물질로, 차세대 양자스핀 및 정보소자 구현의 핵심 소재로 주목받고 있다.

▲ 반데르발스 결합 무결점 접합구조를 적용해 제작한 FGT 기반 자화터널소자 / 사진 제공 : KRISS

이번에 개발한 이차원 자성체의 스핀 물성 측정 및 분석 기술은 차세대 양자위상·양자정보 소재 개발을 위한 기초 기술로 널리 활용될 수 있다. 또한 실험에 사용된 무결점 반데르발스 결합 소자 구성은 양자 메모리, 확률적 변이 메모리 등의 차세대 스핀?초전도 양자 소자에도 응용 가능하다.

KRISS 저차원소자물질연구팀 정수용 책임연구원은 “이번 성과는 국내 양자소재 전문가들이 결집해 달성한 쾌거”라며 “그간의 이론적 예측 연구에 응답할 수 있는 측정결과를 제시해, 차세대 양자소재 실용화 연구에 새로운 가능성을 보여줬다”고 밝혔다.

KRISS 기본사업과 한국연구재단 기초연구사업, IBS 원자제어저차원 전자계연구단, IBS 강상관계물질연구단의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 소재 분야의 세계적인 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF: 47.656)에 8월 5일 온라인 게재됐다.