[하현수 졸업생, 양범정 교수] 세계 최초 차세대 자성 반도체 물질 발견 (Nature 논문 게재)
“Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors”
본 연구에서는 자성을 띠는 반도체 물질에서 초거대 각자기저항 현상을 세계 최초로 발견했다. 이번 성과는 자기장의 크기가 일정한 경우 스핀 각도에 따라 자기저항의 크기가 10억배까지 크게 변화할 수 있는 자성 반도체 물질을 세계 최초로 발견했다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구는 이전까지 보고된 대부분의 위상자성체가 금속 물질임을 착안해, 반대로 반도체 특성을 가지는 위상자성체 후보 물질을 찾는데 계속 집중해왔다. 그 결과 자성반도체 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(이하, Mn3Si2Te6)의 스핀방향을 외부자기장을 이용해 회전시키면 전류가 흐르지 않는 부도체상태와 전류가 흐르는 금속상태로 쉽게 조절된다는 것을 전도 및 광학 특성 측정을 통해 발견하였다. 이론적으로도 전자구조 계산과 위상분석을 통해 관측된 현상이 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 규명하였다. 위상 자성물질 연구는 국제적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 분야로 국내 공동연구진이 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례이다. 연구진은 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 학연연구위원(POSTECH 물리학과 교수)과 강상관계 물질 연구단 양범정 연구위원(서울대 물리천문학부 교수), 한국원자력연구원 김규 박사, 연세대 물리학과 김재훈 교수 등으로 많은 연구원이 참여했다.
이번 논문에서 공동 제1 저자로 참여한 하현수 학생은 2021년 2월 서울대 물리천문학부를 졸업한 학생으로 학부 연구참여 프로그램을 통해 본 연구에 참여하여 이와 같은 우수한 연구 성과를 얻었다.
Efficient magnetic control of electronic conduction is at the heart of spintronic functionality for memory and logic applications1,2. Magnets with topological band crossings serve as a good material platform for such control, because their topological band degeneracy can be readily tuned by spin configurations, dramatically modulating electronic conduction3–10. Here we propose that the topological nodal-line degeneracy of spin-polarized bands in magnetic semiconductors induces an extremely large angular response of magnetotransport. Taking a layered ferrimagnet, Mn3Si2Te6, and its derived compounds as a model system, we show that the topological band degeneracy, driven by chiral molecular orbital states, is lifted depending on spin orientation, which leads to a metal–insulator transition in the same ferrimagnetic phase. The resulting variation of angular magnetoresistance with rotating magnetization exceeds a trillion per cent per radian, which we call colossal angular magnetoresistance. Our findings demonstrate that magnetic nodal-line semiconductors are a promising platform for realizing extremely sensitive spin- and orbital-dependent functionalities.
Authors: Junho Seo* , Chandan De* , Hyunsoo Ha* (서울대), Ji Eun Lee* , Sungyu Park, Joonbum Park, Yurii Skourski, Eun Sang Choi, Bongjae Kim, Gil Young Cho, Han Woong Yeom, Sang-Wook Cheong, Jae Hoon Kim✉, Bohm-Jung Yang ✉(서울대), Kyoo Kim ✉ &Jun Sung Kim✉
Publication date: 25 November 2021
Link: Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors | Nature