원자적으로 얇은 필름으로 비자성 재료를 자성체로 만들기

자기 질서에 관한 법칙을 다시 써야 할지도 모릅니다. 연구진은 전통적으로 벌크 상태에서는 비자성이었던 크롬 셀레나이드(Cr₂Se₃)가 원자 수준으로 얇은 층으로 환원되면 자성 물질로 변한다는 사실을 발견했습니다.

이 발견은 기존의 이론적 예측과 모순되며, 스핀트로닉스 응용 분야에 새로운 가능성을 제시합니다. 이를 통해 스마트폰, 데이터 저장 장치 및 기타 필수 기술 분야에서 더 빠르고, 더 작고, 더 효율적인 전자 부품 개발이 가능해질 것입니다.

도호쿠 대학, 로렌 대학(Synchrotron SOLEIL), 국립 싱크로트론 방사선 연구 센터(NSRRC), 고에너지 가속기 연구 기구, 국립 양자 과학 기술 연구소의 국제 연구팀은 분자 빔 에피택시를 사용하여 그래핀 위에 2차원 Cr₂Se₃ 박막을 성장시키는 데 성공했습니다.

연구팀은 체계적으로 두께를 3개 층에서 1개 층으로 줄이고 고휘도 싱크로트론 X선으로 분석한 결과 놀라운 발견을 했습니다.

이번 발견은 2차원 물질이 자기적 질서를 유지할 수 없다는 기존의 이론적 예측에 도전합니다.

"이 초박막에서 강자성체 거동을 처음 관찰했을 때, 우리는 정말 충격을 받았습니다."라고 수석 연구원인 사토 타카후미 교수(도호쿠 대학교 WPI-AIMR)가 설명했습니다.

"기존 이론에서는 이런 일이 일어나서는 안 된다고 했습니다. 더욱 흥미로운 것은 필름을 얇게 만들수록 자성이 더 강해진다는 것입니다. 예상과는 완전히 반대되는 결과죠."

3차원 Cr₂Se₃ 결정은 반강자성(자기 모멘트가 서로 상쇄됨)을 나타내는 반면, 2차원 버전은 강자성 물질로 변환됩니다.

더욱 주목할 만한 점은 필름이 얇아질수록 강자성 전이 온도가 증가한다는 것입니다.

연구진은 전자 상태에 대한 마이크로 ARPES 분석을 통해 이 현상의 메커니즘을 밝혀냈습니다. 그래핀 기판에서 계면을 통해 Cr₂Se₃로 주입된 전도 전자가 이러한 초박막에서 고온 강자성을 가능하게 하는 결정적인 요소입니다.

현대 전자공학은 주로 전자의 전기적 특성을 활용합니다.

그러나 "스핀트로닉스"는 성능 향상을 제공할 수 있는 자기적 특성도 활용합니다.

이번 발견은 스핀트로닉스 응용 분야의 가능성을 크게 확장하여 에너지 효율이 더 높은 전자 장치를 개발하는 데 기여할 가능성이 있습니다.

연구팀의 다음 단계는 새로운 NanoTerasu 싱크로트론 시설을 활용하여 더 높은 해상도의 분석을 통해 연구를 가속화하는 것입니다.

이 연구는 2025년 4월 18일 Nature Communications에 온라인으로 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250508112736.htm