자기 컴퓨터 실현될까…제3 자성체 확인

강자성체와 반강자성체 특성을 겸한 제3 자성체로 존재가 기대되고 있던 알터마그네틱(Altermagnetic)이 처음으로 확인됐다. 알터마그네틱은 신종 자기 컴퓨터 제조 등에 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

자성은 자기장에 놓일 때 물질이 다른 물질에 인력이나 척력을 가하는 현상 중 하나다. 자성은 물체를 구성하는 전자 스핀에 의해 일어나는 현상으로 전자 스핀이 같은 방향을 향하고 있을 때 강자성이 된다.

20세기까지 외부로부터 자장이나 전류 공급을 받지 않아도 자석으로서의 성질을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 영구자석은 강자성체만이라고 생각되고 있었다. 덧붙여 강자성체는 냉장고나 나침반 바늘 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.

1930년대 프랑스 물리학자 루이 네르는 전자스핀이 번갈아 움직이는 반강자성이라고 불리는 신종 자성을 발견했다. 반강자성체는 강자성체와 같은 외부 자기장을 갖지 않지만 전자스핀 회전 방향이 번갈아 다르기 때문에 흥미로운 내부 자성을 나타낸다.

또 2019년 어떤 종류 반강자성체 결정 구조에 있어 기존 이론에선 설명할 수 없는 이상 효과가 확인됐다. 이 때 전류는 외부 자기장이 없어도 흐르고 있었다고 한다. 이후 연구에선 이 효과를 일으키는 결정 구조를 전자스핀 관점에서 분석한 결과 알터마그네틱이라고 불리는 신종 자성이 존재하고 있는 건 아닐까 제창됐다. 연구에선 알터마그네틱은 반강자성체처럼 보이지만 전자스핀은 어느 각도에서 회전시켜도 동일하게 보인다고 봤다. 하지만 결정 전자 구조를 실제로 확인하는 데에는 이르지 않았기 때문에 알터마그네틱이 정말 존재하는 것인지에 대해선 확신이 없었다.

이런 가운데 스위스 연구팀이 지금까지 반강자성체라고 생각되던 텔루르화망간 결정 내 전자 구조를 측정해 알터마그네틱 존재를 확인하는데 성공했다. 연구팀은 빛이 텔루르화망간으로 튀어나오는 방법을 측정하고 결정 내부 전자 에너지와 속도를 측정했다. 이런 전자를 맵핑한 결과 알터마그네틱 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 게 밝혀졌다. 전자는 두 그룹으로 나뉘어 결정 내부 전자의 비정상적 움직임을 가능하게 하고 이게 알터마그네틱 특성 원천이 되고 있다고 지적했다.

연구팀은 이번 연구 결과는 알터마그네틱에 대해 말할 수 있는 직접적 증거이며 알터마그네틱이 이론에서 추측된 대로 행동하는 게 증명됐다고 밝혔다. 보도에선 알터마그네틱 특성을 이용해 컴퓨터 하드디스크 기억 용량을 증대시킬 가능성이 있다며 외부 자장 간섭에 약하다는 특성이 있다. 알터마그네틱의 경우 기존 것보다 고밀도로 자성체 재료를 담을 수 있게 될 가능성이 있다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.