물리학과 황춘규 교수 연구팀은 숭실대 박세영 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 장차운·류혜진 박사팀과 함께 한·미 국제 공동연구를 통해 상온 양자 반도체 소자로 활용할 수 있는 상온 비선형 홀 효과*를 실현하고 세계 최초로 그 발생 원리를 규명했다.  

* 홀 효과: 전기장 및 자기장이 물질 내에 가해질 때 물질 내 전자의 흐름이 특정 방향으로 편향되면서 전압이 발생하는 현상.

이번 연구의 배경이 되는 ‘홀 효과’는 1879년 에드윈 홀이 발견한 현상이다. 전기장과 자기장이 함께 물질에 가해질 때, 전자의 흐름이 특정 방향으로 편향돼 전류와 자기장의 방향에 수직하게 전압이 발생하며, 이를 통해 전하 운반자 종류와 밀도 같은 고체 물질 내의 기본적 정보를 알아낼 수 있다. 

이후 양자역학의 발전과 함께 홀 효과에 대한 연구는 비약적인 발전을 이뤄 왔다. 외부 자기장 없이도 자석 물질의 자화로 인해 발생하는 ‘비정상 홀 효과’뿐만 아니라, ‘양자 홀 효과’, ‘스핀 홀 효과’ 등과 같은 다양한 홀 효과들이 발견돼 새로운 패러다임의 소자 개발 가능성이 제시되고 있으며, 홀 효과는 고체 물리학의 중요한 분야 중 하나로 지속적인 연구가 진행되고 있다.  

최근 물질 내부의 자성뿐만 아니라 외부 자기장이 없음에도 불구하고 홀 효과가 발생할 수 있음이 관찰됐으며, 이를 '비선형 홀 효과'라고 한다. 이 새로운 전자 수송 현상은 극소수의 연구에서 보고된 바 있으나, 발생 원리를 설명하는 연구 결과와 더불어 소자 활용의 측면에서 가장 필수적인 상온에서 발현되는 비선형 홀 효과에 대한 연구 결과 또한 아주 극소수만 보고됐다.

연구팀은 위상학적 준금속인 NbIrTe₄라는 물질로 이차원 소자를 제작해 비선형 홀 효과를 실현했으며, 저온에서 상온까지 온도를 변화시켜도 비선형 홀 효과가 유지되나 그 방향은 바뀔 수 있음을 발견했다. 전자 구조에 대한 실험과 이론적 계산을 통해 베리 곡률* 쌍극자**가 비선형 홀 효과의 발생 및 제어 원리임을 밝혀냈다.

* 베리 곡률: 위상 현상을 기술하는 기하하적 개념으로, 홀 효과 측면에서는 자기장과 같은 역할을 하며 물질내 전자 궤도와 밀접하게 관련된 물리량.  

** 베리 곡률 쌍극자: 물질 내의 비평형적인 결정 구조로 인해 베리 곡률의 비대칭적인 분포됨에 따라 발생하는 극성과 관련된 물리량.

【왼쪽부터 교신저자 황춘규 교수, 제1저자 이지은 박사】

이번 연구로 비선형 홀 효과가 이론적으로만 연구돼 왔던 베리 곡률 쌍극자와 관련된다는 직접적인 증거를 제시했다. 더 나아가 상온에서도 비선형 홀 효과가 발현될 수 있는 새로운 물질을 발견해 응용 가능성을 극대화시켰다는 점에서 매우 의미가 있다. 또한 베리 곡률 쌍극자 제어를 통한 전자 수송 현상 제어 방법론을 제시함으로써, 새로운 패러다임의 양자 신소자 개발 및 응용 가능성을 열었다.

제1저자인 물리학과 이지은 박사는 “이번 연구는 상온 비선형 홀 효과를 가진 신물질을 발견하고 그 발생 원리를 직접적으로 제시함으로써, 역으로 상온 홀 효과를 가진 물질에 대한 힌트를 제시할 수 있을 뿐만 아니라 양자 물리량을 제어하는 새로운 양자 기술 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

이지은 박사는 부산대 물리학과에서 학사와 석사·박사과정을 모두 이수하고, 현재 미국 로렌스 버클리 국립연구소에서 박사 후 연구원으로 연구를 지속하고 있다.

이번 논문은 부산대 물리학과 이지은(제1저자) 박사와 황춘규(공동교신저자) 교수가 숭실대의 박세영(공동교신저자) 교수, 한국과학기술연구원(KIST)의 장차운(공동교신저자) 박사, 류혜진(공동교신저자) 박사와 공동으로 수행한 ‘스핀 궤도 갈라짐*에 의해 발생된 NbIrTe₄에서의 비선형 홀 효과(Spin-orbit-splitting-driven nonlinear Hall effect in NbIrTe₄)’라는 제목으로 국제 학술지 『Nature Communications』 5월 10일자에 게재됐다. 

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47643-4

* 스핀 궤도 갈라짐: 전자의 스핀과 궤도 운동 사이의 상호작용으로 전자가 특정 에너지 준위에서 더 높거나 낮은 두 개의 서로 다른 상태로 분리되는 현상. 

해당 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구실지원사업과 중견연구자지원사업, 교육부의 핵심연구지원센터 조성지원사업의 지원을 받아, 부산대와 미국 로렌스 버클리 국립연구소, 국내 한국과학기술연구원(KIST)과 숭실대가 공동으로 진행했다. 

* 상단 연구이미지: NbIrTe₄의 비선형 홀 효과와 전자 구조 내의 베리 곡률 쌍극자

[Abstract]

The conventional Hall effect refers to the generation of a Hall voltage when both an electric and magnetic field are applied to materials. With the advent of quantum mechanics, the scientific community has highly been interested in various Hall effect such as anomalous Hall effect, spin Hall effect, and quantum Hall effect. In this study, we report a new type of Hall effect, nonlinear hall effect, which emerges in non-magentic materials even in the absence of an external magentic field. Our research reveals a sign-reversing nonlinear Hall effect, persisting room-temperature. This phenomena is attributed to the Berry curvature dipole induced by spin-orbit-split bands, as diretly confirmed by our experimental and theroretical anlaysis. This work not only provides insight into room-temperature nonlinear Hall effect materials and offers a pathway towards controlling a new quantum mechnical quantity with possibilities for the development of innovative quantum devices.

* Reference (Pusan National University)

- Authors: Ji-Eun Lee, Prof. Choongyu Hwang (Department of physics)

- Title of original paper: Spin-orbit-splitting-driven nonlinear Hall effect in NbIrTe₄ 

- https://www.nature.com/articles/s41467-024-47643-4 

- Journal: Nature communications

- DOI: 10.1038/s41467-024-47643-4