울산과학대 황영훈 교수, 층상 자성체 전자 특성 규명

국제학술지 2곳에 연구 논문 게재
스핀 분열·표면 전자 신호 구별
3년간 국제 공동연구 결과 공개

울산과학대학교 황영훈 교수가 참여한 국제 공동연구의 층상 교자성체 CoNb₄Se8 결정 구조와 스핀 분열에 따른 전자구조 분석 결과를 나타낸 도식. (자료=울산과학대 제공)

차세대 자성 소재로 연구되는 층상 물질에서 전자의 스핀 상태가 달라지는 현상이 확인됐다. 물질 내부에서 나타나는 특성과 표면에서 발생하는 신호를 구별할 수 있는 분석 결과도 함께 나왔다.

울산과학대학교 황영훈 교수는 국제 연구진과 함께 층상 교자성체인 CoNb₄Se8의 전자적 특성을 분석했다. 연구 결과는 지난 18일과 19일 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'와 '나노 레터스(Nano Letters)' 온라인판에 각각 실렸다.

교자성은 물질 전체의 자화가 상쇄되면서도 전자의 운동량에 따라 서로 반대인 스핀 상태의 에너지가 달라지는 자성 현상이다. 연구 대상인 CoNb₄Se8는 이셀레늄화니오븀(NbSe₂) 층 사이에 코발트 원자가 일정한 형태로 자리 잡은 구조를 지닌다.

황 교수는 화학기상수송법으로 연구에 필요한 고품질 단결정을 만들었다. 국제 공동연구진은 이 시료를 활용해 결정 구조와 자기적 성질, 열용량, 전자의 에너지 분포 등을 조사했다. 황 교수는 두 논문에서 공동 교신저자로 이름을 올렸으며, 시료 제작과 물성 분석, 연구 방향 설정에도 참여했다.

어드밴스드 머티리얼스 논문은 스핀에 따라 에너지가 달라지는 전자 밴드를 실험적으로 구별한 내용을 담았다. 연구진은 빛을 이용한 전자 측정과 이론 계산을 비교해 운동량 방향에 따른 스핀 신호의 변화도 확인했다.

나노 레터스 논문에서는 얇게 떼어낸 결정의 표면에 어떤 원자가 드러나는지에 따라 관측되는 전자 상태가 달라진다는 사실을 밝혔다. 코발트와 셀레늄이 각각 노출된 표면의 신호를 나눠 분석함으로써 내부 물성을 해석할 때 생길 수 있는 혼동을 짚었다.

두 논문은 같은 물질을 대상으로 내부의 스핀 분열과 표면 효과를 서로 다른 측면에서 살폈다는 점에서 연결된다. 연구진은 이번 결과가 향후 얇은 자성 소재와 여러 층을 결합한 구조의 전자적 성질을 조사하는 데 참고 자료가 될 것으로 보고 있다.

이번 성과는 3년간 이어진 국제 공동연구에서 나왔다. 국내에서는 포스텍과 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단의 김준성 교수, 송원섭 연구원이 어드밴스드 머티리얼스 논문의 열용량 실험과 해석에 참여했다.

연구에는 한국연구재단 창의도전연구기반지원사업과 과학기술정보통신부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업이 활용됐다.

울산=김성욱 기자