김재훈 교수팀, 자성 반도체에서 초거대 각자기저항 및 부도체-금속 상전이 현상 발견

위상 자성 반도체에서 스핀의 방향만으로 전류의 흐름 조절 가능

‘네이처(Nature, IF 49.962)’誌 논문 게재

[사진. 김재훈 교수(왼쪽), 이지은 공동 제1저자]

물리학과 김재훈 교수는 김준성 교수(POSTECH, IBS), 김규 박사(한국원자력연구원), 양범정 교수(서울대, IBS) 연구진과 공동연구를 통해 위상 자성 반도체에서 ‘초거대 각자기저항 현상’을 관측하고 규명했다.

초거대 각자기저항 현상(Colossal Angular Magnetoresistance)은 자성 반도체에서 정렬된 스핀의 결정축 대비 각도에 따라 저항이 10억 배까지 변화하는 현상이다.

연구진은 위상 자성 반도체 물질 중 Mn3Si2Te6 단결정에서 외부 자기장을 이용해 스핀의 방향을 조절하면서 비저항 측정과 테라헤르츠(Terahertz) 분광 실험을 진행했고, 외부 자기장의 방향에 따라 전도성이 10억 배 이상 변화하는 것과 부도체 상태가 금속 상태로 돌변하는 ‘부도체-금속 상전이 현상’이 나타나는 것을 관측했다. 

또한 초거대 각자기저항 현상이 위상학적 전자 상태를 통해 정렬된 스핀의 각도에 따라 나타나는 것을 이론적으로 규명했다.

[그림. 외부 자기장 방향에 따른 Mn3Si2Te6의 테라헤르츠 흡수계수. 

좌측 그림에서처럼 외부자기장 및 스핀이 결정면에 수직할 때 부도체-금속 상전이가 일어남을 볼 수 있다. 

우측의 수평 방향 경우에서는 거의 변화가 없다.]

김재훈 교수는 “일반적으로 자성체는 각자기저항이 작으나 이번에 발견한 위상 자성 반도체인 Mn3Si2Te6는 각도에 따른 저항 변화가 기존 자성체보다 10만 배 이상 크다.”며 “스핀 방향에 따라 전류의 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 점을 이용하면 향후 스핀 정보 소자의 기반 물질로서 양자 기술 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 

본 연구결과는 세계 최고 학술지 ‘네이처(Nature, IF 49.962)’지에 11월 25일 온라인 게재됐다. 서준호(공동 제1저자, IBS/POSTECH), Chandan De(공동 제1저자, IBS/포항가속기연구소), 하현수(공동 제1저자, 서울대), 이지은(공동 제1저자, 연세대), 박선규(IBS), 박준범(HZDR), Yurii Skourski(HZDR), 최은상(Florida 주립대), 김봉재(군산대), 조길영(IBS/POSTECH), 염한웅(IBS/POSTECH), 정상욱(포항가속기연구소/Rutgers대), 김재훈(공동교신저자, 연세대), 양범정(공동교신저자, IBS/서울대), 김규(공동교신저자, 한국원자력연구원), 김준성(공동교신저자, IBS/POSTECH)이 저자로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41586-021-04028-7