- 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