2차원 물질의 플랫밴드와 강자성 원인 규명

철 기반 카고메 격자의 기초 물성 이해

카고메 격자와 Fe3Sn2의 구조모형 및 투과전자현미경 관측 결과

한중 연구팀이 자연계 고체물질에서 플랫밴드와 강자성의 원인을 규명해, 신소재 개발 연구의 저변을 넓혔다.

한국연구재단은 조준형 한양대 교수 연구팀이 2차원 카고메 격자 물질에서 플랫밴드의 존재를 입증하고 강자성의 원인을 규명했다고 밝혔다.

고체 내 전자들의 배열 상태는 물질의 특성과 밀접한 연관이 있다. 특히 전자들이 국소적으로 밀집돼 플랫밴드 상태일 때는 강자성을 비롯해 독특한 양자 상태를 가지게 된다.

플랫밴드는 전자들의 국소화에 의해 준입자들이 매우 무거운 유효 질량을 가질 때의 밴드 구조다. 전자들의 쿨롱 반발력이 운동에너지에 비해 상당히 커서 강자성을 비롯한 다양한 양자 상태를 가진다.

연구팀은 자연계에 존재하는 철 기반 고체물질(Fe3Sn2)에서 플랫밴드의 존재를 관찰해냈다. 또 플랫밴드를 갖는 기하하적인 전자 구조에 의해 강자성 현상이 생긴다는 것을 밝혀냈다.

Fe3Sn2는 마치 대나무로 바구니를 엮은 듯한 형태로 입자가 배열되어 있다. 연구결과 육각형의 상호 네트워크에서 국소적으로 분자 내 전자 교환상호작용이 일어나면서 강자성이 형성된다.

조준형 교수는 “이 연구는 자연계에서 존재하는 철 기반 고체물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 입증하고 카고메 격자가 가지는 강자성의 원인을 규명한 것이다. 강자성 현상, 고온 분수양자홀 효과, 고온초전도와 같은 다양한 양자현상을 실현할 수 있는 밑거름이 될 것”이라고 의의를 설명했다.
이해미 기자 ham7239@