초전도 교자성에서의 스핀 초전류
Viewpoint: Spin Supercurrents in Superconducting Altermangets

새로운 유형의 자성 물질은 초전도 상태에 들어갈 때 영구적이고 무손실인 스핀 전류를 형성할 수 있을 것으로 기대된다.

초전도체는 전하를 저항 없이 전달하는 특성으로 잘 알려져 있다. 이러한 능력은 MRI 장비, 양자 컴퓨터, 그리고 초전도 양자 간섭 소자와 같은 고감도 자기계측기 등 다양한 기술의 기반이 된다. 그러나 전하가 아닌 전자 스핀을 이용해 정보를 처리하는 스핀트로닉스 분야에서는, 장거리 무손실 수송을 구현하는 것이 어려운 과제로 남아있다. 일반 금속에서는 전자 스핀이 산란과 스핀-궤도 결합의 영향을 크게 받아 스핀 전류가 짧은 거리에서 빠르게 감쇠된다. 강자성체 기반의 초전도 스핀트로닉스 연구가 일부 진전을 이루었지만,1)2) 강자성체는 외부 회로 요소에 간섭을 일으키는 누설 자기장을 생성하고, 내부 자기장이 초전도성을 약화시키는 문제를 갖고 있다. 캐나다 University of British Columbia의 Kyle Monkman과 공동 연구자들은 무손실 스핀 수송을 위한 새로운 경로를 제안했다.3) 초전도 교자성체로 알려진 물질군이 순수한 스핀 초전류를 자연스럽게 생성/전달할 수 있다고 예측했다. 주목할 점은 이 전류가 스핀-궤도 결합과 자기적 무질서가 존재하는 환경에서도 전파될 수 있다는 것이다.

이 연구의 중요성을 이해하기 위해 교자성(altermagnet)을 살펴볼 필요가 있다.4)5) 교자성체는 강자성체도 반강자성체도 아닌 새로운 형태의 자성을 나타내며 두 계열의 핵심 특징을 동시에 지닌다. 반강자성체처럼 순자화가 0이어서 초전도성을 방해하는 내부 자기장이 존재하지 않으며, 강자성체처럼 스핀 분리된 에너지 밴드가 뚜렷이 나타난다. 이 특성은 특정한 결정 대칭성에 기인하며, 이로써 운동량 공간에서 스핀 축퇴가 해제된다.

이 발견 후, 이론가들은 교자성체가 초전도 상태를 가질 가능성에 주목하였다. Monkman과 공동 연구자들의 핵심 통찰은 교자성체가 초전도 상태로 전이될 때 매우 특별한 현상이 나타난다는 점이다. 일반적인 초전도체에서는 스핀 업과 스핀 다운 전자가 짝을 이루어 스핀 싱글렛을 형성하여, 순스핀이 0이 된다. 그러나 교자성체에서는 페르미면이 특정한 회전 대칭성(d-wave 또는 g-wave 등)을 만족하기 때문에, 기존의 싱글렛 페어링은 강하게 억제된다. 대신, 계는 동일 스핀 트리플렛 쌍을 형성하려 한다.6) 이러한 페어링으로 초전도 응집체는 스핀 업 전자 쌍과 스핀 다운 전자 쌍으로 두 개의 독립적인 초유체로 구성된다. 이러한 ‘이중 초유체’ 구조가 지속적인 스핀 전류를 생성하는 핵심이다. 예를 들어 스핀 업 응집체와 스핀 다운 응집체가 같은 속력으로 반대로 흐르면 전하 전류는 서로 상쇄되어 순전하 전류는 0이 되지만, 스핀 전류는 더해진다. 그 결과 전하는 전달하지 않고 스핀만을 운반하는 순수한 스핀 초전류가 형성된다.

계산을 통해 Monkman과 공동 연구자들은 초전도 교자성체의 두 가지 두드러진 특성을 밝혀냈다. 그중 하나는 스핀 전류 다이너모(dynamo) 효과로, 특정 결정 방향에서 나타난다. 이 경우 일반적인 전하 전류를 인가하면 자발적으로 횡방향의 순수 스핀 초전류가 생성된다. 이는 스핀 홀 효과의 초전도 버전에 해당하며, 스핀 전류의 크기는 전하 전류 조절로 정밀히 제어할 수 있다. 두 번째로 두드러진 특성은 강인성(robustness)이다. 일반적인 물질은 스핀-궤도 결합이 스핀에 토크를 가해 결어긋남을 유도하고, 그 결과 스핀 전류가 사라진다. 그러나 연구진은 미시적 모형과 긴즈부르그-란다우 이론으로, 초전도 교자성체에서는 스핀-궤도 결합이 스핀 전류를 공간적으로 진동시키지만 감쇠시키지는 않는다는 것을 입증했다. 연구팀은 나아가 고리 형태의 구조를 고려했다. 초전도 교자성체로 이루어진 고리에 반정수 자기 플럭스 양자를 관통시키면, 계는 자동으로 ‘전하 역류(charge counterflow)’ 상태에 들어가, 영구적으로 흐르는 순수 스핀 전류를 자발적으로 생성한다. 이 상태는 복잡한 스핀 검출 기술 없이, 자화의 소멸 관측으로 실험적으로 확인할 수 있다.

이 연구는 초전도 스핀트로닉스를 위한 강력한 설계 지침을 제시한다. 제안된 플랫폼은 강자성체의 장점(강한 스핀 분극)과 초전도체의 장점(무손실 흐름)을 결합하면서, 각각의 약점(누설 자기장과 스핀 감쇠)을 효과적으로 극복한다. 아직 초전도 교자성체가 확정적으로 확인된 사례는 없지만, MnTe7)와 RuO₂8)와 같은 유망한 후보 물질들이 제시되어 있다. 다행히 많은 교자성체가 우수한 금속성을 보이기에, 저온에서 초전도성이 나타날 가능성도 충분히 존재한다.

Monkman과 공동 연구자들의 연구는 이러한 물질을 탐색하는 일이 기초 물리학적으로 중요한 의미를 지닐 뿐만 아니라, 미래의 저전력·고집적 정보 저장 및 처리 기술을 위한 전혀 새로운 하드웨어 플랫폼을 제공할 수 있음을 시사한다. 실험적으로 이러한 스핀 초전류가 검출된다면, 초전도성과 자성의 상호작용에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꾸는 중요한 이정표가 될 것이다.

초전도 다이오드를 위한 조절 노브
Synopsis: Tuning Knob for a Superconducting Diode

연구자들은 두 초전도 물질을 우상 절연체로 연결한 소자에서 조셉슨 다이오드 효과를 제어할 수 있음을 입증했다.

초전도성은 일반적으로 양방향으로 나타나지만, 특정 소자에서는 한 방향으로만 초전도가 흐르기도 한다. 이러한 방향성은 조셉슨 다이오드 효과(JDE)로 불리며, 위상 절연체와 초전도 물질을 결합한 구조를 포함해 다양한 소자 아키텍처에서 나타날 수 있다. Beiging Institute of Technology의 Cai-Zen Li와 공동 연구자들은 입력 전압을 변화시켜 JED를 조절할 수 있는 위상 시스템을 구현했다.9) 이러한 제어 능력은 초전도 전자소자와 양자 회로에서 유용하게 활용될 수 있다.

전통적인 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 위치한 장벽 구조이다. 이 접합을 통해 저항이 없는 초전류가 흐를 수 있지만, 그 전류가 임계값 이하일 때만 가능하다. 이 값을 넘어서면 저항이 0보다 크게 나타난다. 대부분의 접합에서는 양 방향에서 임계 전류가 동일하지만, 방향에 따라 임계 전류가 달라지는 접합도 구현된 바 있다.

초전도 다이오드를 구현하는 방법 중 하나는 위상 절연체(TI)를 장벽 물질로 사용하는 것이다. TI 기반 접합은 이미 연구된 바 있지만, JDE의 기원은 명확히 규명되지 않았다. Li와 공동 연구자들은 벌크 상에서 강한 절연성을 띠는 TI인 BiSbTeSe₂를 이용해 접합을 제작했다. 약 50 mT의 자기장에서 연구진은 한 방향에서 약 3 μA, 반대방향에서는 약 1.5 μA의 임계 전류를 측정했다. 이러한 임계값이 온도에 따라 변화하는 방식은 다이오드 효과가 주로 TI의 벌크 상태가 아닌, 표면 상태에서 기인함을 시사한다. 또한 게이트 전압(접합 내 캐리어 밀도를 제어함)을 조절함으로써 비대칭성을 약 10% 증가시킬 수 있음을 확인했다.

새로운 물질, 무아레(Moiré) 계열에 합류하다.
Synopsis: New Material Joins Moiré Family

납 아이오다이드를 포함한 무아레 시스템은 이색적인 양자 상태를 구현할 수 있으며, 거의 소실이 없는 전기 전도 특성을 가능하게 한다.

2018년 이후 응집물질물리학자들은 이른바 무아레 물질에 큰 관심을 보여 왔다. 이러한 물질은 원자 한 층 두께의 결정 층들이 서로 약간 비틀리거나 어긋난 상태로 적층된 구조를 가진다. 이 미세한 불일치는 전자의 이동과 상호작용 방식을 변화시켜 초전도성 및 기타 비정상적인 전자 현상을 유도할 수 있다. University of Paris-Saclay의 Yan Sun과 공동 연구자들은 전자 스핀과 궤도 운동 사이의 결합이 본질적으로 강한 층상 반도체인 납 아이오다이드를 추가함으로써, 무아레 물질에서 구현 가능한 물리 현상을 더욱 확장할 수 있음을 보여주었다.10)

연구팀은 납 아이오다이드 네 개의 층 위에 육각 질화붕소와 그래핀 층을 순차적으로 적층하고, 각 층 사이의 비틀림 각도를 정밀하게 조절한 무아레 물질을 제작했다. 이후 시료를 초저온으로 냉각하고, 전압과 강한 자기장을 인가했다. 그 결과 특정 전압 범위에서 물질의 전기 전도도가 기본 전도도 양자의 3분의 2에 해당하는 값을 나타냄을 확인했다. 이러한 두드러진 특성은 비정상적이며 강하게 상관된 전자 상태의 형성을 시사한다.

Sun과 공동 연구자들은 또한 전하 중성점(양전하와 음전하 운반자의 수가 동일한 상태)에서 전류가 거의 에너지 손실 없이 흐를 수 있음을 확인했다. 이 조건에서는 강한 자기장 하에서 물질의 종방향 저항이 0이 되었으며, 이는 전자가 산란 없이 이동함을 의미한다. 연구진은 이러한 탄도 수송이 무아레 구조에 의해 형성된 특수한 전도 경로를 통해 가능해졌으며, 이는 납 아이오다이드 층의 강한 스핀-궤도 결합 덕분이라고 설명했다.