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교자성

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목차

1. 개요

교자성은 원자 스핀 방향과 공간 배치가 교대하는 일정한 패턴을 보이는 물질 상태를 의미한다. 교자성체 내 원자는 반대 자기 모멘트를 가지며, 결정 회전이나 거울 반전 형태의 교자성 상태를 보인다. 2024년 텔루륨화 망간과 이산화 루테늄에서 교자성 띠구조가 처음 관찰되었으며, 스핀에 따라 띠구조가 명확히 구분되는 특징이 있다. 교자성체는 강자성과 반자성을 부분적으로 가지며, 변칙적 홀 효과와 스핀 전류 변화 현상을 보인다.

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교자성
기본 정보
Altermagnetism bands
'결정된 스핀 방향이 없는 상태에서 스핀 분할을 나타내는 알터마그네틱 결정의 밴드 구조 (오른쪽). 자기 정렬은 스핀 업 (파란색)과 스핀 다운 (빨간색) 채널로 표시됨. 이미지 출처: Mazin, I. I. (2022).'
유형자성 상태
설명
정의"알터마그네티즘(영어: altermagnetism)은 강자성 및 반강자성과는 구별되는 자성 상태의 한 유형임.

2. 결정 구조 및 대칭

교자성체 내 원자는 스핀 방향과 공간 배치가 번갈아 나타나는 규칙적인 패턴을 보인다.[22][24] 자기 모멘트가 반대인 원자들은 결정 회전이나 거울 반전 형태의 교자성 상태에 있으며, 자성 원자의 공간 배치는 주변의 비자성 원자 사이에 갇혀 만들어질 수도 있다.[18][22][23][24][25][26][28]

2. 1. 자기 모멘트 정렬

교자성체 내 원자는 원자의 스핀 방향과 공간 배치가 서로 교대하는 일정한 패턴을 보인다.[22][24] 자기 모멘트가 반대인 원자들은 결정 회전이나 거울 반전 형태의 교자성 상태에 있으며,[18][22][23][24][25][26] 자성 원자의 공간 배치는 주변의 비자성 원자 사이에 갇혀 만들어질 수도 있다.[24][28] 교자성체인 텔루르화 망간(MnTe)에서는 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 6방성 결정 회전과 관련되어 있으며,[24][25] 다른 교자성체인 이산화 루테늄(RuO2)에서는 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 4방성 결정 회전과 관련되어 있다.[24][26]
교자성체인 텔루륨화 망간(MnTe, 왼쪽)과 이산화 루테늄(RuO2, 오른쪽)의 교차하는 자성 구조 및 결정 구조.

2. 2. 대표적인 교자성체

텔루륨화 망간(MnTe)은 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 6방성 결정 회전과 관련되어 있다.[24][25] 이산화 루테늄(RuO2)은 부분격자 간 스핀 방향이 반대인 것이 4방성 결정 회전과 관련되어 있으며, 한국 연구진이 이 물질의 교자성을 실험적으로 규명하는 데 중요한 역할을 했다.[24][26]

3. 전기적 구조

교자성체의 가장 큰 특징은 스핀에 따라 띠구조가 명확히 구분된다는 것이다.[24] 교자성 띠구조에서는 시간 대칭성이 파괴되며,[24][28] 강자성과 마찬가지로 ''Eks''=''E-ks'' 관계가 성립하나 강자성체와 달리 전체 자성이 형성되지는 않는다.

3. 1. 스핀 분극화

교자성체의 가장 큰 특징은 스핀에 따라 띠구조가 명확히 구분된다는 것으로,[24] 2024년에 처음 실험적으로 관측되었다.[25] 교자성 띠구조에서는 시간 대칭성이 파괴되며,[24][28] 강자성과 마찬가지로 ''Eks''=''E-ks'' 관계가 성립하나 전체 자성이 형성되지는 않는다. 교자성체의 스핀 분극화는 파수 벡터 공간에서 진동하며, 각각 2, 4, 6 스핀 축퇴 노드를 형성한다. 이는 각각 d 궤도, g 궤도, i 궤도에 해당한다.[24] d 궤도 교자성체는 d 궤도 초전도체와 자기 대응 관계에 있다.[29]

교자성 금속의 페르미면. 파란색과 빨간색은 각각 스핀의 극성(위와 아래)을 가리킨다.


교자성 물질의 띠구조.


교자성체의 띠구조 내 스핀 분극화는 동일선상에서 일어나, 반전 대칭성은 파괴되지 않는다.[24] 교자성체의 스핀 갈라짐은 파수 벡터에서 ''(kx2-ky2)sz''로 동일하다.[24][25] 이산화 루테늄에서는 시간 대칭성의 파괴, 거대한 ~1eV 스핀 갈라짐, 변칙적 홀 효과 현상의 발생이 이론적으로 예측되었으며[28] 실험적으로도 검증되었다.[30]

3. 2. 스핀 갈라짐

교자성체의 띠구조 내 스핀 분극화는 동일선상에서 일어나, 반전 대칭성은 파괴되지 않는다.[24] 교자성체의 스핀 갈라짐은 파수 벡터에서 ''(kx2-ky2)sz''로 동일하다.[24][25] 이산화 루테늄에서는 시간 대칭성의 파괴, 거대한 ~1eV 스핀 갈라짐, 변칙적 홀 효과 현상이 이론적으로 예측되었으며[28] 실험적으로도 검증되었다.[30]

4. 물질

교자성을 띌 것으로 추정되는 물질은 전도체부터 절연체까지,[23][24] 2차원부터 3차원 물질,[20][23] 경원소부터 중원소, 비상대론적 띠구조부터 상대론적 띠구조까지 다양하게 분포한다.[24][25][28] 알터자성은 절연체, 반도체, 금속에서 초전도체에 이르기까지 다양한 물질에서 예측되고 있다.[6][7]

4. 1. 발견된 물질

2024년에 반도체인 MnTe과 금속성 RuO2에서 교자성 띠구조가 나타나는 현상이 처음 관찰되었다.[8][9][25][26] 교자성을 띄는 물질은 전도체부터 절연체까지,[23][24] 2차원부터 3차원 물질까지,[20][23] 경원소부터 중원소까지, 비상대론적 띠구조부터 상대론적 띠구조까지 다양하게 분포할 것이라고 추정하고 있다.[3][6][7][8][11][24][25][28]

4. 2. 물질 분포

2024년 반도체인 텔루륨화 망간과 금속성 이산화 루테늄에서 교자성 띠구조가 나타나는 현상이 처음 관찰되었으며,[25][26] 교자성을 띌 것으로 추정되는 물질은 전도체부터 절연체까지,[23][24] 2차원부터 3차원 물질,[20][23] 경원소부터 중원소, 비상대론적 띠구조부터 상대론적 띠구조까지 다양하게 분포한다.[24][25][28]

5. 성질

교자성체(Altermagnet)는 강자성과 반자성의 성질을 부분적으로 동시에 가지는데, 특히 강자성체와 더 유사하다.[1][5][6][7][18][22][23][24]

5. 1. 변칙적 홀 효과

교자성체는 강자성과 반자성을 부분적으로 동시에 가지는데, 특히 강자성체에 가깝다.[18][22][23][24] 교자성체의 전형적인 특징으로서 홀 효과가 변칙적으로 나타나는 현상이 관측되었으며,[28][30][31] 결정이 회전할 때 스핀 전류가 방향을 바꾸는 변칙적 현상이 나타나기도 한다.[32]

5. 2. 스핀 전류

교자성체는 강자성과 반자성을 부분적으로 동시에 가지는데, 특히 강자성체에 가깝다.[18][22][23][24] 결정이 회전할 때 스핀 전류가 방향을 바꾸는 변칙적 현상이 나타나기도 한다.[32]

참조

[1] 논문 Altermagnetism—A New Punch Line of Fundamental Magnetism 2022-12-08
[2] 논문 Altermagnetism Then and Now https://physics.aps.[...] 2024-01-08
[3] 간행물 Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe 2023-09-05
[4] 웹사이트 The existence of a new kind of magnetism has been confirmed https://www.newscien[...] 2024-02-14
[5] 논문 Researchers discover new kind of magnetism https://www.science.[...] 2024-02-16
[6] 논문 Emerging Research Landscape of Altermagnetism https://link.aps.org[...] 2022-12-08
[7] 논문 Altermagnetism: spin-momentum locked phase protected by non-relativistic symmetries 2022-09-23
[8] 논문 Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy 2024-02
[9] 논문 Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO 2 2024-02-02
[10] 웹사이트 Altermagnetism proves its place on the magnetic family tree https://www.scienced[...] 2024-02-15
[11] 논문 Crystal time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect in collinear antiferromagnets 2020-06-05
[12] 논문 Beyond Conventional Ferromagnetism and Antiferromagnetism: A Phase with Nonrelativistic Spin and Crystal Rotation Symmetry https://link.aps.org[...] 2022-09-23
[13] 논문 An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide 2022-11-07
[14] 논문 Spontaneous Anomalous Hall Effect Arising from an Unconventional Compensated Magnetic Phase in a Semiconductor 2023-01-20
[15] 논문 Large anomalous Hall effect in a non-collinear antiferromagnet at room temperature 2015-11
[16] 논문 Efficient Electrical Spin Splitter Based on Nonrelativistic Collinear Antiferromagnetism 2021-03-26
[17] 뉴스 컴퓨터 메모리 혁신·차세대 노벨상 화두 '교자성'…한국 연구진 두각 https://www.dongasci[...] 동아사이언스 2024-02-26
[18] 저널 Altermagnetism—A New Punch Line of Fundamental Magnetism https://journals.aps[...] 2023-12-02
[19] 저널 Altermagnetism Then and Now https://physics.aps.[...] 2024-01-08
[20] 인용 Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe http://arxiv.org/abs[...] 2024-02-15
[21] 웹인용 The existence of a new kind of magnetism has been confirmed https://www.newscien[...] 2024-02-15
[22] 웹인용 Researchers discover new kind of magnetism https://www.science.[...] 2024-02-16
[23] 저널 Emerging Research Landscape of Altermagnetism https://link.aps.org[...] 2022-12-08
[24] 저널 Altermagnetism: spin-momentum locked phase protected by non-relativistic symmetries 2022-09-23
[25] 저널 Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy https://www.nature.c[...] 2024-02
[26] 저널 Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO 2 2024-02-02
[27] 웹인용 Altermagnetism proves its place on the magnetic family tree https://www.scienced[...] 2024-02-15
[28] 저널 Crystal time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect in collinear antiferromagnets 2020-06-05
[29] 저널 Beyond Conventional Ferromagnetism and Antiferromagnetism: A Phase with Nonrelativistic Spin and Crystal Rotation Symmetry https://link.aps.org[...] 2022-09-23
[30] 저널 An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide 2022-11-07
[31] 저널 Spontaneous Anomalous Hall Effect Arising from an Unconventional Compensated Magnetic Phase in a Semiconductor 2023-01-20
[32] 저널 Efficient Electrical Spin Splitter Based on Nonrelativistic Collinear Antiferromagnetism 2021-03-26


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