거의 한 세기 동안 물리학 교과서는 자성을 깔끔하게 둘로 나누어 왔다. 전자 스핀이 모두 같은 방향을 향해 친숙한 자석을 만드는 강자성, 그리고 스핀이 번갈아 상쇄되어 겉으로는 자화를 보이지 않는 반강자성이다. 이 두 상자 프레임은 거의 90년 동안 자성에 대한 이해를 지탱해 왔다.
이제 미국 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소와 프랑스의 유럽 방사광 시설(ESRF) 팀이 세 번째 종류에 대한 결정적 증거를 발표했다. 사이언스지에 실린 이 연구는 altermagnetism이라는 자기 상을 이제까지 이론에 머물던 것에서 실험으로 확인된 현실로 옮겼다.
이야기의 중심에 있는 물질은 텔루륨 망간(MnTe)이다. 수십 년 동안 반강자성 서랍에 편안하게 들어가 있었다. 옛 규칙이라면 스핀은 위아래위아래로 번갈아 나타나 합이 0이 되어야 했다. 그런데 이 물질은 강자성에만 있는 것으로 여겨지던 재주, 즉 전하가 아닌 전자 스핀으로 정보를 나르는 스핀 전류를 운반할 수 있다는 얼굴도 가지고 있었다.
결정적 단서는 카이랄성이었다. 나선 계단이나 나사의 방향성처럼, 거울상과 겹쳐지지 않는 성질을 생각하면 된다. 연구진은 MnTe의 자기 구조에 바로 이 비대칭성이 숨어 있으며, 이것이 일반 반강자성과 altermagnet을 가르는 서명이라고 가설을 세웠다.
이를 검증하기 위해 그들은 시료를 ESRF의 ID32 빔라인으로 가져가 원편광 X선을 쏘았다. 요령은 우아하다. 카이랄 물질은 좌회전과 우회전 편광을 다르게 산란하지만, 비카이랄 물질은 둘을 똑같이 대한다. 팀은 일반 반강자성에는 나타나지 않아야 할 명확한 카이랄 신호를 포착했다.
이 실험은 마지막 순간에 급조된 것이 아니다. 제1 저자 대니얼 요스트에 따르면 첫 실험은 2024년에 끝났고 2025년 초에 다시 수행해 동일한 결과를 얻었다. 1년 넘게 걸쳐 재현할 수 있다는 점이 주장을 지탱하는 핵심이다. ESRF에서 실험 설계와 운용을 도운 공동 저자 레이첼 니켈도 확인 속도가 놀랍다고 말했다.
그렇다면 세 번째 종류의 특별한 점은 어디인가. 그것은 결정의 기하에 있다. altermagnet도 스핀은 번갈아 나타나고 순자화는 없지만, 위 스핀을 둘러싼 격자가 아래 스핀을 둘러싼 격자에 대해 회전되어 있다. 이 미세한 비틀림이 대칭을 깨고 전자의 거동을 바꾸어 두 오래된 부류의 장점을 결혼시킨다.
그것이 바로 엔지니어들이 관심을 갖는 이유다. 강자성체는 외부 자기장의 영향을 쉽게 받지만, 반강자성체는 너무 조용해 읽기가 어렵고 스핀 전류를 구동하는 데도 서툴다. altermagnet은 안정성과 정보를 추출하는 데 필요한 스핀 편극 전류를 생성하는 능력을 결합한다.
응용 목록은 차세대 컴퓨팅의 설계도를 닮았다. 고급 메모리, 더 에너지 효율적인 데이터 센터, 그리고 전하가 아닌 스핀에 의존하는 양자 기술. 전자 스핀으로 하드웨어를 만들려는 스핀트로닉스 분야는 새로운 설계 공간을 얻게 된다.
현실적인 분량의 냉각이 필요하다. 이 논문이 확인한 것은 그 자기적 거동이 실재한다는 것이지, 당장 쓸 수 있는 소자가 있다는 것이 아니다. SLAC도 실용 기기가 시연된 것은 아니라고 분명히 한다. 다음 단계는 빛과 전기로 altermagnetic 상태를 제어하는 것이다.
이 연구는 미국 에너지부 과학국의 일부 지원을 받았고, 결정적 X선 측정은 유럽 땅에서 이루어졌다. 대서양을 건너는 협력이 수십 년간 오분류되었던 물질을 본래 있어야 할 곳으로 되돌려 놓았다.
자성을 표처럼 상상한다면, 그것은 90년 동안 두 줄만 있었다. 오늘 세 번째 줄이 자신 있게 추가되었다. 대부분의 사람에게 내일 당장 무언가가 바뀌는 것은 아니지만, 물질 속을 정보와 에너지가 어떻게 흐르는지 연구하는 과학자에게 그 한 줄의 추가는 앞으로 설계할 수 있는 풍경이 통째로 넓어졌음을 뜻한다.
댓글