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Altermagnets - 거의 한 세기만에 발견된 첫 번째 새로운 종류의 자석

 (newscientist.com)
1P by GN⁺ 2일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 체코 출신 물리학자 Libor Šmejkal이 미술작품에서 영감을 받아 새로운 형태의 자기(altermagnetism) 를 이론적으로 예측함
  • 기존에는 강자성체(ferromagnetism) 와 반강자성체(antiferromagnetism) 두 가지 자기만 알려져 있었으나, 제3의 자기 형태인 알터마그넷이 실험적으로 확인됨
  • 알터마그넷은 총합 자기장은 0이지만, 전자 스핀 분리(spin-splitting) 를 유도할 수 있어 스핀트로닉스 기술의 한계를 극복할 수 있음
  • 실제로 망간 텔루루화물(MnTe), 루테늄 디옥사이드 등에서 알터마그네틱 현상이 실험으로 입증되었으며, 200개 이상 후보 물질이 이론적으로 제시됨
  • 연구팀은 나아가 반(反)알터마그네틱(antialtermagnetic) 이라는 제4의 자기 형태도 이론적으로 예측하며 자기의 세계를 넓혀가고 있음

Magnetism의 역사와 발전

  • 자기는 고대 그리스 시절부터 알려졌으며, 오늘날 발전기, 스마트폰, 병원 스캐너 등 핵심 기술에 사용되고 있음
  • 고전적 자기 개념은 강자성체(모든 스핀 방향이 같아 자력이 형성되는 구조) 와 반강자성체(스핀 방향이 상쇄되어 겉보기 자력이 없는 구조) 두 가지였음
  • 2022년, Šmejkal은 이 모델로 설명되지 않는 현상을 바탕으로 ‘알터마그네틱’ 상태를 이론화함

Šmejkal의 아이디어와 Escher의 대칭성

  • M.C. Escher의 Horseman 작품에서 보이는 반복 대칭 패턴에서 영감을 받아 자기 대칭을 새롭게 해석
  • 기존 반강자성체와 비슷하게 스핀은 번갈아 방향을 바꾸지만, 90도 회전된 방향의 자기 모멘트가 나타나며 결과적으로 스핀 분리 현상이 발생함
  • 이로 인해 전통적으로 불가능했던 구조 속에서도 양방향 전자 스핀의 분리가 가능함

알터마그넷의 실험적 입증

  • 2024년, 스위스 PSI 연구소의 Juraj Krempaský 팀이 망간 텔루루화물(MnTe) 에서 알터마그넷 현상을 관측
  • 전자 움직임을 추적한 결과, Šmejkal의 이론과 높은 정합성을 보여줌
  • 이어서 루테늄 디옥사이드 등에서도 알터마그넷 가능성이 확인됨

스핀트로닉스와 알터마그넷의 가능성

  • 스핀트로닉스(spintronics) 는 전자 스핀을 활용해 정보를 저장하고 처리하는 차세대 기술
  • 기존에는 강자성체만이 스핀 분리를 제공할 수 있어 소형화와 집적화에 한계
  • 알터마그넷은 자력은 0이지만 스핀 분리 가능, 간섭 없음, 저전력, 소형화 가능성 등에서 이상적인 특성 보유

새로운 물질 개발과 상용화 가능성

  • 기존 반강자성체에 기계적 압축(compressive strain) 을 가하거나, 이종소재 적층(sandwich structure) 으로 대칭성을 교란해 알터마그넷 상태를 유도
  • 예: 압축을 가한 rhenium dioxide, 다층 구조로 만든 적층 반강자성체
  • 다만 인위적 방식은 실용성 부족 가능성이 있으며, 자연계에서 알터마그넷성을 갖는 물질 탐색이 유망
  • Šmejkal 팀은 200개 이상의 후보 물질을 이론적으로 도출함

상용화를 위한 다음 단계

  • Oliver Amin 연구팀은 MnTe의 자기 구조를 가열과 냉각을 통해 제어 가능함을 시연
  • 이는 스핀트로닉스를 위한 실용적 소재 구현의 초기 단계로 평가됨
  • MnTe는 이미 20년 이상 연구된 물질로, 고순도 합성 및 실험에 유리

제4의 자기 형태: 반알터마그네틱 (Antialtermagnetism)

  • Šmejkal은 알터마그넷을 넘어 지그재그형 스핀 대칭 구조를 가지는 반알터마그넷을 이론화
  • 전자 스핀들이 대칭적으로 배열되어 총합 자력은 없지만, 전자 이동 경로에 변화를 주어 스핀 분리를 유도함
  • 아직 논문은 동료평가 전 단계이나, 새로운 자기 현상의 가능성을 제시함

결론

  • 알터마그넷의 발견은 자기의 개념을 확장하고, 스핀트로닉스의 실용화를 가속화할 수 있는 핵심 전환점
  • 향후 10년 내 상용화 가능한 신소재로 이어질 가능성이 크며, 연구가 활발히 진행 중임
  • Escher의 대칭성에서 출발한 이 연구는, 미술과 수학, 물리학이 만난 대표적 사례로 주목받고 있음
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GN⁺ 2일전  [-]
Hacker News 의견

  • archive.ph 링크

  • 내가 이해한 바로는, 이 기술의 진정한 장점은 솔리드 스테이트 방식의 자기 저장장치라고 생각함
    기존 자기 저장장치는 자기장을 만들지만, 이 새로운 알터마그넷 소재는 자기장 생성 없이 외부 자기장에 반응함
    그래서 장치들을 아주 조밀하게 배치할 수 있고, 간섭을 걱정할 필요가 없음
    약한 전기 펄스로 비트의 0과 1을 읽고, 강한 펄스로 비트를 뒤집는 구조임
    원자 자체를 뒤집는 것이기 때문에 구조를 파괴하거나 전하를 넣지 않아, 수명도 길고 읽기/쓰기 사이클도 거의 무한에 가까울 것으로 추정함
    일반 실리콘 제조 공정과 호환 가능할 것으로 보고 있음
    다만, 읽기 구조끼리 얼마나 촘촘하게 둘 수 있을지가 기술적 관건임

    • 약한 전기 펄스로 비트 상태를 감지하고, 강한 펄스로 뒤집는다는 설명이 정말 훌륭하게 요점을 집어냄
      Feynman 스타일의 통찰로 한 문장으로 완벽하게 정리한 점이 인상적임

    • 이런 저장장치가 있다면 솔리드 스테이트 메모리뿐 아니라, Hall effect 기반 산업용 센서 전반에서 해상도와 노이즈 면역성이 대폭 향상될 거라 생각함

    • 사실 기존의 "일반" 자성 소재도 자기장 방향을 전환할 수 있다는 점을 이 논문에서 확인 가능함

  • 기사에서 "Confirming that altermagnets exist" 섹션이 실제 용도 설명을 잘 다룸
    전통적으로 스핀 기반 고밀도 정보 저장은 스핀이 자연스럽게 정렬된 소재(보통 강자성체)만 사용해 왔음
    문제는, 강자성체는 거대한 자기장을 동반하여 실제 활용에 큰 걸림돌이 됨
    새로운 알터마그넷은 스핀이 잘 배열되어 있으면서 각 원자 단

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