 열 역학 법칙에 위배되는‘ 기묘한’전류 흐름 규명
물리적 대칭성 붕괴로 전류의‘ 비상반적’특성
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 연구진이 기존 물리법칙에 위배되는 특이한 전류 흐름 현상을 발견하고 그 이유를 밝혀내는 데 성공했다. 서로 다른 물질이 결합한 이종 접합 소재에 외부 자기장을 걸어줄 경우 한 방향으로만 전류가 더 잘 흐르는 정류작용이 나타났다. 이 연구 결과는 차세대 스핀트로닉스(spintronics) 소자 개발에 다양하게 응용할 수 있는 기초가 될 것으로 기대된다. (메인 사진: 연구에 참여한 최대성 연구원(좌측)과 유정우 교수(우측))
정리 김향인 기자 | 자료제공 UNIST
서로 다른 물질이 결합한 이종(異種) 접합 소재는 맞닿은 면(계면)을 기준으로 ‘공간 반전 대칭성’이 깨진다. 공간 반전 대칭성(Spatial inversion symmetry)이란 응집된 물리계의 구조상 공간 축의 부호를 뒤집는 변환을 했을 때 거울의 대칭된 현상처럼(x → -x) 나타나는 경우를 말한다.
다시 말해 일반적으로는 공간 축을 기준으로 뒤집어도 거울에서 대칭이 되듯 변화하지 않은 상태 그대로 있지만, 서로 다른 물질이 맞붙게 되면 대칭되는 이러한 성질이 바뀌는 것이다.
UNIST 유정우 교수팀은 이번 연구를 통해 이처럼 서로 다른 물질이 결합한 이종 접합 소재에 외부 자기장을 걸어주자 한 방향으로만 전류가 더 잘 흐르는 정류작용이 나타난다는 사실을 밝혀냈다.
물리법칙에 위배되는 비상반적인 수송 특성 정류작용(rectifying action)은 전압을 걸어주는 방향에 따라 전류가 잘 흐르는 정도가 달라지는 성질을 말한다. 좁은 의미로는 한 방향으로는 전류가 통하나, 그반대 방향으로는 통하지 않게 하는 성질을 말한다.
공간 반전 대칭성이 붕괴되어 있는 재료의 표면이나 계면에서는 전자의 산란관계가 라쉬바 효과라 불리는 스핀 궤도 상호작용(spin-orbit interaction)으로 인해 전자 스핀과 운동량이 함께 속박되어 있는 전자구조를 갖는다.
라쉬바 효과(Rashba effect)는 재료의 표면이나 계면 등 공간 반전 대칭성이 붕괴된 계에서 경계면에 수직으로 작용하는 내부 전기장으로 인하여 나타나는 전자의 스핀과 궤도 운동량의 상호작용을 일컫는다. 이로 인하여 전자 스핀과 궤도 운동량이 더 이상 독립적으로 보존되지 않게 된다.
이와 같이 공간 반전 대칭성이 붕괴된 시스템에서 특정 방향으로 자기장을 걸어 시간 반전 대칭(time reversal symmetry)이 붕괴되면 축퇴 상태였던 업스핀과 다운스핀의 두 에너지 밴드가 이동하여 결국 페르미 준위(Fermi level)의 전자들이 특정 방향으로 전기장의 영향을 잘 받아 선택적인 전류 흐름을 보여 줄 수 있다.
시간 반전 대칭성(Time reversal symmetry)이란 시간의 흐름을 거꾸로 변환하였을 때(t → -t) 나타나는 물리 법칙의 대칭성으로 계의 운동을 반전했을 때 나타나는 물리적 현상의 대칭으로 이해할 수 있다.
이러한 현상은 열역학적 비평형 상태에서 나타나는 다양한 물리적 양의 상호적인 수송 특성으로 열역학 제4법칙이라고도 일컫는 온사게르 상반 법칙(Onsager reciprocal relation)에 위배되는 비상반적인 수송 특성(nonreciprocal charge transport)이다.
일반적으로 페르미 준위에 비해 스핀 궤도 상호작용이 상대적으로 매우 작아 미세한 섭동 형태로 나타나는데 그 효과가 매우 작아서 실험적으로 검출하기도 쉽지 않다.
비상반적 수송 특성이 크게 나타나기 위해서는 스핀 궤도 상호작용이 전자 수송에 크게 영향을 미쳐야 한다. 이를 위해서는 상대적으로 낮은 페르미 준위를 갖는 전자가 2차원에 속박된 시스템들이 적합하다.
이를 위해서는 강한 라쉬바 효과가 작용하는 이종 접합 산화물 전도층이 효과적인데, 대표적인 것으로 LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면을 들 수 있다. LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면에서는 전자의 d 궤도들의 계층구조로 인해 페르미 준위의 위치에 따라 라쉬바 효과의 세기가 크게 나타나는 특성을 갖게 된다.
이것은 게이트 전압 인가에 따라 라쉬바 효과와 함께 비상반적 수송 특성의 크기를 제어할 수 있어 차세대 스핀트로닉스(spintronics) 소자에 다양하게 응용할 수 있다.
방향성 전류 흐름의 크기 제어
이와 같이 이 연구에서는 공간 반전 대칭성이 붕괴된 2차원 산화물 전도층 LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면에서 비상반적인 수송 특성의 규명과 게이트 전압 인가에 따른 방향성 전류 흐름의 크기 제어를 증명했다.
이를 위해 연구팀은 습식 식각과 열처리를 통해 TiO₂ 표면층을 가지는 SrTiO₃ 기판에 펄스 레이저 증착기로 LaAlO₃가 증착된 시료를 제작했다. 그 후 계면 전도층의 수송 특성을 분석하기 위해 플라즈마 에칭과 전자빔(e-beam) 리소그래피 등 패턴 공정을 바탕으로 홀 바(Hall-bar) 형태의 LaAlO₃/SrTiO₃ 소자를 제작했다.
비상반적 전류 수송 특성의 실험적 규명은 교류전압에 따른 신호 분석으로 그 대칭성을 확인하는 데 적합하다. 비선형 전류 수송에 대한 성분은 가해준 교류 전압 진동수의 2배에 해당하는 2차 조화 성분(2nd Harmonic)으로 분해할 수 있는데, 위상에 따른 증폭기를 활용하여 검출해 냈다.
또한, 이러한 방향성 전류 흐름은 라쉬바 장의 방향과 외부 자기장의 방향에 서로 수직인 방향으로 대칭성을 갖게 되는데, 이를 증명하기 위해서는 외부 자기장의 방향에 따른 신호 검출로 그 대칭성을 규명했다.
라쉬바 효과 세기와의 상관성
LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면은 전자의 d 궤도들의 계층구조로 인하여 페르미 준위의 위치에 따라 라쉬바 스핀 궤도 상호작용의 세기가 급격히 변하는 특성을 갖는다.
이 실험에서는 게이트 전압 인가에 따라 비상반적인 수송 특성의 크기가 특정 게이트 전압에서 크게 확대되는 것을 규명했다. 이는 비상반적인 수송 특성이
라쉬바 효과의 세기와 직접적으로 비례한다는 것을 검증한 것이다. 또한 비상반적인 수송특성 분석으로부터 소재의 라쉬바 효과 세기를 유추할 수 있다는 것을 보여준다.
게이트 전압 인가에 따른 LaAlO₃/SrTiO₃에서의 비상반적 수송 특성은 지금까지의 강한 라쉬바 효과를 갖는 위상 물질에 비해 그 세기가 약 100배 정도로 크게 증가시킬 수 있는 것을 확인했다.
추가적으로 연구팀은 자기장의 세기에 따른 비상반적 수송의 특성을 분석해, 이런 특성이 크게 일어나는 원인을 파악했다. 이는 LaAlO₃/SrTiO₃에서 대칭성 붕괴로 인한 에너지인 라쉬바 효과와 자기장에 의한 제이만 에너지가 전도 전자가 갖는 페르미 준위 에너지의 크기만큼 크기 때문이다. 즉 페르미 에너지가 상대적으로 낮기 때문인 것으로 설명될 수 있다. 페르미 에너지가 상대적으로 낮아서 라쉬바 효과와 자기장에 의한 제이만 효과가 상대적으로 전자의 운동에 영향을 더 크게 미쳐 비상반적 수송 특성이 거대하게 나타나는 것이다.
연구과정을 그림으로 살펴보면 [그림 1]과 같다. 그림 a의 왼쪽 부분을 보면 원래 전자의 스핀 방향과 궤도 운동량은 개별 값이지만 ‘라쉬바 효과’에 의해 스핀과 운동량(X축)이 결부된 전자밴드 구조를 만들 수 있다. Y축의 값은 에너지이다.
a의 오른쪽 부분을 보면 자기장을 특정한 축 방향으로(Y축) 걸어주게 되면 에너지 값이 비대칭적으로 변해 한쪽 방향으로만(-X축) 전류가 더 잘 흐르는 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
그림 b 부분은 그로 인한 비상반적인 전류 수송 특성 효과를 나타내는 모식도이다. 밴드구조의 비대칭성으로 인해 특정(그림에서는 위쪽 화살표) 방향으로 흐르는 전류의 흐름이 더 크게 된다.  [그림 1] 비상반적 전자 수송 모식도
[그림 2]의 a는 LaAlO₃/SrTiO₃ 산화물 계면 전도층에서의 비선형 전류 수송 측정을 위한 실험 모델이다.
그림 b 교류 신호 분석으로 검출되는 2차 조화 성분(2nd Harmonic, Y축)은 계면에서의 자기장 방향에 따른 비상반적인 전류 수송 특성을 보여준다. 전류 수송에 비상반성이 없을 경우 2차 조화 성분은 검출되지 않는다. c를 보면 게이트 전압(Vg) 인가에 따라 비상반적 전류의 흐름이 증가함을 알 수 있다.  [그림 2] 비상반적 전류수송 측정 실험 결과
이번 연구성과에 대해 연구진은 비상반적인 수송 특성이 보다 극적으로 나타나는 조건을 새롭게 제시함으로써 새로운 정류소재 및 소자 개발을 통해 보다 폭넓은 응용 가능성을 보여주게 되었다고 기대한다. 특히, 자성 소재에서는 자기 모멘트의 방향에 따라 정류회로의 방향 제어가 가능하므로 차세대 자성메모리 및 논리 소자 응용이 가능할 것이라고 밝혔다. 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.
<Energy News>
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