HFIPS·홍콩과기대, 비통상 자성체 분류 통합 대칭 체계 수립…후보 물질 93종 발굴

비통상 자성체와 기존 분류의 한계

비통상 자성체는 반강자성체의 보상 자화와 강자성체형 스핀 분리를 동시에 나타내는 소재로, 차세대 스핀트로닉스 분야에서 높은 관심을 받고 있다. 운동량 반전에 대한 스핀 분리의 패리티를 기준으로 짝패리티와 홀패리티 두 계열로 구분되지만, 지금까지 두 계열은 각각의 경험적 규칙에 의해 별도로 기술되어 왔다. 두 범주를 하나로 아우르는 통일된 대칭 원리가 없었다는 점이 소재 예측과 설계를 어렵게 하는 근본 요인으로 꼽혀 왔다.

6가지 대칭 연산으로 통합 판별 기준 확립

HFIPS 고자기장실험실의 뤄쉰장(Luo Xunjiang) 부연구원 연구팀은 스핀 공간군에서 출발해, 운동량을 보존하는 연산들의 집합과 운동량을 역전시키는 연산들의 집합, 두 가지 결정적 부분집합을 추출했다. 이 두 집합을 합산하면 단 6개의 핵심 연산이 도출된다. 이 연산들의 존재 여부를 확인하는 것만으로 운동량 공간 스핀 텍스처가 공선형·공면형·비공면형 중 어디에 속하는지, 그리고 비상대론적 스핀 분리의 패리티가 짝수인지 홀수인지를 필요충분 조건으로 판별할 수 있다. 이를 통해 15가지 서로 다른 대칭 구동 메커니즘에서 비롯되는 6가지 스핀 분리 유형의 완전한 분류 체계가 완성된다.

기존 통념 재검토: 알터자성과의 차별화

이번 연구는 분야의 주요 패러다임 여럿을 재검토하게 한다. 홀패리티 자성체가 반드시 공면형 자기 질서를 가져야 하거나, 흔히 전제되어 온 시간역전-병진 대칭을 필요로 한다는 가정이 성립하지 않음을 보였다. 또한 공선형 짝패리티 스핀 분리는 알터자성(altermagnetism)과는 근본적으로 구별되는 메커니즘을 통해 공면형 자성체 내에서도 출현할 수 있다는 점이 확인됐다. 이는 비통상 자기 상태가 존재 가능한 소재 공간을 기존보다 상당히 넓힌다.

MAGNDATA 탐색으로 후보 물질 93종 도출

연구팀은 수백 종의 자기구조 데이터를 수록한 국제 데이터베이스 MAGNDATA에 이 기준을 적용했다. 기존에 알려진 알터자성체를 제외하고 홀패리티 후보 33종과 짝패리티 후보 60종, 총 93종을 선별했다. 아울러 보호된 나선형 에지 상태(protected helical edge states)를 지지하는 홀패리티 자성체의 이론 모델을 제시함으로써, 비통상 자성과 위상 양자 현상 간의 연결 가능성도 제기했다. 연구는 2026년 11월 12일 학술지 《Newton》에 발표됐다.

의의와 한계

이번 프레임워크의 핵심 기여는 소재마다 개별적인 경험적 분석을 요구하던 기존 방식을 단순한 6항목 체크리스트로 대체할 수 있다는 데 있다. 고속 소재 탐색과 역설계(inverse design)에 실용적 도구를 제공할 것으로 보인다. 다만 현재 단계에서 93종의 후보 물질은 이론적·대칭 기반 선별 결과이며, 개별 소재의 실험적 검증과 소자 수준의 구현에는 후속 연구가 필요하다.