도호쿠대·JAEA, Mn₃Sn 반강자성체에서 양자기하 비선형 홀 상태 전기 제어 세계 최초 시연

옴 법칙 너머의 비선형 전도

일반적인 도체에서 전압과 전류는 비례 관계, 즉 옴 법칙을 따른다. 그러나 특정 재료에서는 이 선형 관계가 깨지는 비선형 홀 효과가 나타난다. 비선형 홀 효과에서는 전류 방향에 수직인 횡방향 전압이 전류에 단순 비례하지 않는다. 이때 전자 양자 상태의 기하학적 구조인 양자기하학이 핵심 역할을 한다.

이 양자기하 비선형 홀(QgNLH) 상태는 고체의 양자적 성질 탐구와 비선형 신호처리 소자 구현이라는 두 측면에서 주목받아 왔다. 그러나 양자기하학은 재료에 고정된 내재 특성으로 인식돼 왔기 때문에, 외부 전기 신호로 이 상태를 능동적으로 조절하기는 매우 어려웠다.

Mn₃Sn의 스핀 구조와 양자기하 결합

연구팀이 선택한 소재는 카이랄 반강자성체 Mn₃Sn의 에피택셜 박막이다. 이 물질은 스핀 구조와 전자 상태가 긴밀하게 연동돼 있어, 자성 질서를 제어함으로써 비선형 응답을 조작할 가능성이 열려 있다.

실험에서 연구팀은 먼저 상온에서 3차 비선형 홀 효과, 즉 횡방향 전압이 전류의 세제곱에 비례하는 현상을 관측했다. 이어 실험 결과와 이론 계산을 결합해 이 효과의 양자기하학적 기원을 검증하고, 스핀 구조 전환에 의해 응답이 가역적으로 반전됨을 확인해 QgNLH 상태와 스핀 구조 사이의 상호 연동을 규명했다.

스핀-궤도 토크를 이용한 전기적 스위칭

연구팀은 스핀트로닉스 기법을 활용해 자성 질서 및 QgNLH 상태를 전기적으로 제어하는 단계로 나아갔다. Mn₃Sn에 인접한 중금속 층에 전류를 흘리면 스핀-궤도 토크가 발생하고, 이 토크가 Mn₃Sn의 스핀 구조에 작용해 자성 상태를 반전시킨다. 연구팀은 극성이 반대인 전류 펄스를 교대로 인가해 3차 비선형 홀 응답의 부호를 전환하는 데 성공했으며, 이를 통해 전류 유도 자기동역학을 매개로 한 QgNLH 상태의 전기 제어를 실증했다.

유한 바이어스 자기장 조건에서는 결정론적 스위칭이, 영(zero) 바이어스 자기장 조건에서는 상태 요동(fluctuation)이 각각 구현됐다는 점도 보고됐다.

비선형 전자소자 응용 가능성과 과제

이번 연구의 핵심 의의는 양자기하학적 성질을 재료에 고정된 불변량으로 보는 기존 관점을 벗어나, 자성 질서 제어를 통해 능동적으로 조절 가능한 변수로 다룰 수 있음을 보인 데 있다. 연구팀은 주파수 체배기(frequency multiplexer)나 정류기(rectifier) 같은 전류 조절 가능 비선형 소자 개발에 이 접근법이 활용될 수 있다고 전망했다. 또한 스핀트로닉 방식의 도입으로 MRAM이 갖는 에너지 효율성과 고속 동작 특성을 함께 계승할 가능성도 제시됐다.

다만 현재 단계는 에피택셜 박막 수준의 원리 실증이며, 실제 집적 소자로의 전환을 위해서는 소자 구조 최적화, 동작 온도 범위 확장, 대면적 균일 성막 등 추가 과제가 남아 있다.