[Yuting Qian/김윤식 박사, 김창영/양범정 교수] 강자성체 표면 오각격자에서 발견된 새로운 평탄밴드 (Nature Communications 논문 게재)
“Correlated singular flat bands on the surface pentagonal lattice of ferromagnetic CoS2”
평탄밴드(flat band)는 전자의 운동에너지가 억제되어 전자 간 상호작용이 두드러지는 특별한 전자 상태로, 강상관 전자현상과 새로운 양자상태를 탐구하는 핵심 플랫폼으로 주목받아 왔다. 그러나 지금까지 평탄밴드의 실험적 구현은 주로 2차원 카고메 격자와 3차원 파이로클로어 격자에 한정되어 있었다. 새로운 격자 구조에서 평탄밴드를 구현하는 것은 매우 중요한 문제이지만, 원하는 기하학적 구조를 갖는 물질을 실제로 합성하는 일은 쉽지 않다.
특히 5각 격자는 오랫동안 흥미로운 이론적 가능성을 지닌 구조로 여겨져 왔지만, 일반적인 2차원 결정에서는 단위세포가 5각형 대칭을 갖는 주기적 격자를 이루기 어렵다. 이 때문에 5각 격자 기반 물질을 실제로 합성하고, 그 위에서 전자의 양자상태를 실험적으로 관측하는 것은 매우 도전적인 과제로 남아 있었다. 본 연구는 이러한 한계를 우회하는 새로운 방법을 제시한다. 연구진은 2차원 벌크 물질을 직접 합성하는 대신, 3차원 물질의 표면에 자연적으로 형성되는 2차원 결정 구조에 주목하였다.
이번 연구에서는 강자성 위상 준금속 CoS₂의 표면에 자연적으로 존재하는 2차원 표면 5각 결정 구조를 밝혀내고, 그 위에서 밴드 교차를 동반하는 특이 평탄밴드(singular flat band)를 실험적으로 관측하였다. 이는 합성이 어려운 5각 격자 물질을 인공적으로 만들지 않고도, 3차원 결정의 표면을 활용해 새로운 2차원 양자 격자 구조를 구현할 수 있음을 보여준다. 더 나아가 CoS₂ 표면의 5각 격자에서 스핀 분극된 특이 평탄밴드가 실현될 수 있음을 보여주는 중요한 발견이다.
특히 이 표면 평탄밴드는 CoS₂ 내부의 벌크 위상 밴드와 결합하면서 비정상적인 전자 거동을 유도한다. 연구진은 준입자 산란률이 온도에 선형적으로 의존하고, 준입자 피크가 크게 넓어지는 현상을 확인하였다. 이는 CoS₂ 표면에서 기존 페르미 액체 이론으로 설명하기 어려운 비-페르미 액체적 특성이 나타남을 의미한다. 즉, 표면에 국소화된 5각 평탄밴드와 벌크 위상 전자상태의 결합이 새로운 강상관 전자현상을 만들어낼 수 있음을 보여준다.
이번 연구는 평탄밴드 연구의 범위를 기존 카고메 및 파이로클로어 격자에서 5각 격자로 확장했다는 점에서 의미가 크다. 또한 3차원 물질의 표면이 단순한 경계가 아니라, 벌크에서는 구현하기 어려운 새로운 2차원 격자와 전자상태가 자연적으로 형성되는 독립적인 양자 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다. CoS₂ 및 관련 파이라이트 물질은 앞으로 스핀 분극 평탄밴드, 강상관 전자현상, 위상적 표면상태, 비-페르미 액체 거동을 함께 탐구하는 유망한 플랫폼이 될 것으로 기대된다.
Flat bands have been proposed in various geometrically frustrated lattices, yet their experimental realization has been limited only to the two-dimensional (2D) kagome and three-dimensional (3D) pyrochlore lattices. While synthesizing bulk crystals with desired lattice geometry is generally challenging, the surfaces of 3D bulk materials sometimes naturally host 2D lattice structures hardly achievable in 2D bulk crystals. Thus, the electrons localized on such 2D surfaces can be a new platform for exotic flat bands residing on the unexplored lattice geometry. Here, we report the first experimental observation of singular flat bands with band crossings in the 2D pentagonal lattice on the surface of the 3D ferromagnetic topological semimetal CoS2. We demonstrate that the coupling between localized surface flat bands and extended bulk topological bands gives rise to the surface non-Fermi liquid behavior characterized by the quasiparticle scattering rate with linear temperature dependence and pronounced quasiparticle broadening. This study of CoS2 highlights metallic pyrite materials as an ideal platform for exploring the exotic properties of spin-polarized singular flat bands localized on the surface pentagonal lattice, which provides a fresh perspective for investigating correlated electron phenomena in pentagon-based materials.
Authors: Yuting Qian*, Younsik Kim*, Du Hyung Kim*, Taekoo Oh, Yoonseok Hwang, Wonshik Kyung, Junseo Yoo, Sehoon Kim, Suyoung Lee, Hyunjee Song, Mi Kyung Kim, Cheng-Maw Cheng, Min-Seok Kim, Se Young Park, Changming Yue, Jungpil Seo†, Changyoung Kim† & Bohm-Jung Yang†
(*: First author, †: Corresponding author)
Publication date: 6 June 2026