이상 홀 각도(anomalous Hall angle), 전류 방향을 설계 가능한 변수로 바꾸다

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전류가 옆으로 흐르는 이상 홀 효과(anomalous Hall effect)는 오래전부터 알려져 있었지만, 횡방향 전류 전환의 효율이 낮아 실용적 응용은 거의 이뤄지지 못했다. 최근 한 연구팀은 이 현상의 핵심 지표인 이상 홀 각도(anomalous Hall angle)를 수학적으로 조절 가능한 변수로 재정의하고, 실험을 통해 기존보다 한 자릿수 이상 높은 각도를 구현했다. 이는 그동안 관측에만 머물렀던 이상 홀 전류(anomalous Hall current)를 설계 가능한 흐름으로 전환한 첫 실증 사례다.

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이상 홀 각도를 조절하는 수학 모델의 제안

중국과학원 연구진은 위상 반금속 Co₃Sn₂S₂를 기반으로, 이상 홀 각도를 종단 저항률(ρₓₓ)과 이상 홀 전도도(σₐₕ)의 곱으로 나타내는 새로운 수학 모델을 제시했다. 이는 전류가 얼마나 수직 방향으로 전환되는지를 단순히 측정하는 데 그치지 않고, 외부 조건에 따라 조절할 수 있는 물리량으로 재정의한 시도다.

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연구진은 이 모델에 따라 온도, 도핑, 차원 축소 등 다양한 조건을 적용했고, 그 결과 자기장을 가하지 않고도 25도, 46%에 이르는 이상 홀 각도를 구현했다. 이는 지난 수십 년간 보고된 값 중 가장 큰 수준이며, 이상 홀 각도의 실용 가능성을 뒷받침하는 실험적 증거로 평가된다.

 

 

 

자성 물질에서의 이상 홀 각도(anomalous Hall angle) 발달 과정을 나타낸 메인 이미지와, 기존 자성 금속과 본 연구의 자기성 위상 반금속 간 센서 성능 지표를 비교한 삽입 이미지. [사진=Yang 외]

 

 

자기적 와일 페르미온과 응용 가능성

이번 성과는 특정 물리적 기반 없이 나온 결과가 아니다. 연구진은 2018년, Co₃Sn₂S₂라는 자기성 위상 반금속 내부에 존재하는 자기적 와일 페르미온(magnetic Weyl fermions)을 실험적으로 검출한 바 있다.

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이 와일 페르미온은 전자의 운동량 공간에서 비정상적인 자기장과 유사한 효과를 유도하는데, 이는 버리 곡률(Berry curvature)로 설명된다. 버리 곡률은 전자의 궤도 운동을 왜곡시켜 횡방향 전류를 생성하며, 이상 홀 전류의 주요 원인으로 작용한다.

 

 

 

이 그림은 magnetic Weyl fermion(자성 와일 페르미온) 시스템에서 자성에 의해 시간반전 대칭이 깨지며 형성되는 Weyl 노드 쌍과, 이들의 브릴루앙 존 내 분리 위치, 스핀 텍스처의 차이를 시각화한 것이다. 이러한 구조는 비정상 홀 효과(anomalous Hall effect) 등 비대칭 전류 현상의 근원이 되며, 자성 위상 물질의 전자적 특성을 설계 가능하게 만드는 핵심 요소로 작용한다.

 

 

이번 연구는 이론적으로만 예측되어 온 버리 곡률 기반의 전류 조절을 실험적으로 실현한 첫 사례로, 응용 기술로의 확장 가능성을 입증했다. 특히, 외부 자기장을 가하지 않고도 횡전류를 효과적으로 생성할 수 있게 되면서, 고감도 홀 센서 개발에 직접적인 가능성이 열렸다. 이는 자기장 변화 없이도 정밀한 위치나 회전 정보를 감지할 수 있는 센서 기술의 정밀도를 높일 수 있다.

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또한, 스핀트로닉스 분야에서도 이번 결과는 의미가 크다. 이상 홀 전류는 전자의 스핀 정보를 직접적으로 반영하기 때문에, 기존보다 높은 효율로 스핀을 전류로 변환할 수 있다. 이는 전력 소모를 줄이고, 정보 처리 속도를 높이는 차세대 논리소자와 메모리 장치 개발에 적용될 수 있다.

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전류의 경로 자체를 위상 구조에 따라 통제할 수 있다는 점에서, 이번 연구는 단순한 관측을 넘어서 전류 흐름을 설계 가능한 물리 현상으로 바꿨다는 데 결정적인 의미가 있다.

 

 

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