카고메 격자와 Fe3Sn2의 구조모형 및 투과전자현미경 관측 결과 = (a) 카고메 격자의 육각형 셀 안에 자가국소화된 파동함수의 개략도. 카고메 격자의 특이한 격자구조로 인해 파동함수는 각 육각형의 6개 꼭지점에서 부호가 바뀌어 존재하고 이로 인해 상쇄간섭을 유발하여 전자들은 각 육각형 셀 주위에서 국소적으로 존재한다. (b) Fe3Sn2의 구조모형 및 투과전자현미경 관측 결과.ⓒ 한국연구재단
한양대 조준형 교수 연구팀이 자연계 고체물질인 2차원 카고메 격자 물질에서 플랫밴드의 존재를 입증하고, 강자성의 원인을 규명해 신소재 개발 연구의 저변을 넓혔다.
고체 내 전자들의 배열 상태는 물질의 특성과 밀접한 연관이 있고, 특히 전자들이 국소적으로 밀집되어 플랫밴드(전자들의 국소화에 의해 준입자들이 매우 무거운 유효질량을 가질 때의 밴드 구조) 상태일 때는 강자성을 비롯해 독특한 양자 상태를 가지게 된다.
연구팀은 자연계에 존재하는 철 기반 고체물질(Fe3Sn2)에서 플랫밴드의 존재를 관찰해냈다.
또한 플랫밴드를 갖는 기하학적인 전자 구조에 의해 강자성 현상이 생긴다는 것을 밝혀냈다.
Fe3Sn2는 마치 대나무로 바구니를 엮은 듯한 형태(카고메 격자)로 입자가 배열되어 있다.
연구 결과, 육각형의 상호 네트워크에서 국소적으로 분자 내 전자 교환상호작용이 일어나면서 강자성이 형성된다.
조준형 교수 .ⓒ 한국연구재단
조준형 교수는 “이 연구는 자연계에서 존재하는 철 기반 고체 물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 입증하고 카고메 격자가 가지는 강자성의 원인을 규명한 것”이라며 “강자성 현상, 고온 분수양자홀 효과, 고온초전도와 같은 다양한 양자현상을 실현할 수 있는 밑거름이 될 것”이라고 설명했다.
과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, KISTI 슈퍼컴퓨팅 연구지원사업의 지원으로 수행된 이 연구는 물리학분야 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 8월 24일 게재되었으며, 특별히 편집자 추천 논문(Editors’ Suggestions)으로 선정됐다.
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