카고메 격자와 Fe3Sn2의 구조모형과 투과전자현미경 관측 결과
[대전=일요신문] 육군영 기자 = 한ㆍ중 공동연구팀이 자연계 고체물질에서 플랫밴드와 강자성의 원인을 규명해, 신소재 개발 연구의 저변을 넓혔다.
한국연구재단 조준형 교수연구팀이 2차원 카고메 격자 물질에서 플랫밴드의 존재를 입증하고, 강자성의 원인을 규명해 새로운 양자현상을 실현 할 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대된다.
플랫밴드란 전자들의 국소화에 의해 준입자들이 매우 무거운 유효질량을 가질 때의 밴드 구조로 전자들의 쿨롱 반발력이 운동에너지보다 커서 강자성을 비롯한 다양한 양자 상태를 가진다.
고체 내 전자들의 배열 상태는 물질의 특성과 밀접한 연관이 있다. 특히 전자들이 국소적으로 밀집되어 플랫밴드 상태일 때는 강자성을 비롯해 독특한 양자 상태를 가지게 되는데 아직까지 인위적 구조물에서만 발견될 뿐이며 그 원리도 많이 밝혀지지 않았다.
각도분해 광전자 분광법과 밀도범함수이론으로 Fe3Sn2의 밴드구조를 관찰했다.
연구팀은 자연계에 존재하는 철 기반 고체물질(Fe3Sn2)에서 플랫밴드의 존재를 관찰해냈다.
또한 플랫밴드를 갖는 기하학적인 전자 구조에 의해 강자성 현상이 생긴다는 것을 밝혀냈다. 철 기반 고체물질은 마치 대나무로 바구니를 엮은 듯한 형태(카고메 격자)로 입자가 배열되어 육각형의 상호 네트워크에서 국소적으로 분자 내 전자 교환상호작용이 일어나면서 강자성이 형성된다.
실험 연구는 젱창간 교수(Changgan Zeng, 중국과학기술대학)가 수행했고, 이론 연구는 조준형 교수, 최진호 박사, 한양대학교 이세호 박사과정생이 주도했다.
조준형 교수는 “이 연구는 자연계에서 존재하는 철 기반 고체 물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 입증하고 카고메 격자가 가지는 강자성의 원인을 규명한 것이다”라며 “강자성 현상, 고온 분수양자홀 효과, 고온초전도와 같은 다양한 양자현상을 실현할 수 있는 밑거름이 될 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 물리학분야 권위 있는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 8월 24일 게재되었으며, 특별히 편집자 추천 논문(Editors’ Suggestions)으로 선정되었다. (논문명: Flatbands and emergent ferromagnetic ordering in Fe3Sn2 kagome lattices)
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