2026년 1월 7일
도호쿠대학, 국립대학법인
국립대학법인 오사카대학
일본원자력기구
도쿄대학, 국립대학법인
국립대학법인 교토대학

바카라 추천체의 전류에 의한 전자의 액정화 시연
-전자제품에 적용할 수 있는 전기 저항 변화를 세계 최초로 관찰-

[프레젠테이션 포인트]

공간 반전 대칭/시간 반전 대칭(참고 1)다음 중 어느 것도 포함하지 않는 특별바카라 추천 물질(주 2)에서는 전자 이동의 용이성이 전류에 의해 편향되는 '전자 액정화'와 관련된 새로운 전기 전도 원리가 예측되었지만 이는 지금까지 실험적으로 검증되지 않았습니다
디랙 전자(주 3)다이오드와 같은 저항 성분(주 4)를 정확하게 측정하여 자기장에서 세계 최초의 전자 액정 디스플레이 (네마틱(참고 5))는 전기 전도에서 감지될 수 있습니다
또한 전류와 자기장을 이용하여 바카라 추천 패턴을 제어하고 다이오드의 극성을 전환하는데 성공했습니다

[요약]

최근에는 자발적 자화가 없는 바카라 추천체가 자기장 저항성 등의 장점으로 인해 차세대 소자에 응용될 것으로 기대되고 있습니다 현재 개발의 중심은 자화가 있는 강자성체와 유사하게 시간 역전 대칭성만 깨진 바카라 추천체입니다 반면, 공간 반전 대칭도 깨뜨리는 특수 바카라 추천 물질에서는 전자 상태가 강자성 물질과 완전히 다르며, 새로운 전기 전도 원리가 예측됐지만 아직까지 실험적 증거는 확보되지 않았다

도호쿠대학 재료연구소 사카이 히데아키 교수(연구 개시 당시: 오사카대학 이학연구과), 미야모토 유야 씨(연구 당시: 오사카대학 이학연구과), 바카라 커뮤니티 부연구관 기마타 하지메(연구 개시 시: 도호쿠대학 재료연구소) 등이 반강자성 재료를 제안했습니다 시간과 공간의 역대칭이 없는 SrMnBi₂에서 액정과 마찬가지로 전자의 균일한 이동도(전자 상태)가 전류에 의해 특정 방향으로 왜곡되는 새로운 현상을 전기 저항의 다이오드 형태 성분으로 최초로 검출하는 데 성공했습니다 또한 전류와 자기장으로 바카라 추천 패턴을 제어해 다이오드 특성의 극성을 반전시키는 데 성공했다 이 전환 가능 현상은 혁신적인 메모리 및 정류기로서의 전자 응용 분야에 대한 가능성을 제시합니다

이 결과는 2026년 1월 7일 10:00(영국 시간) 과학 저널 Nature Communications에 온라인으로 게재되었습니다

이 결과는 도쿄대학 이학연구과(현 홋카이도대학 공학부) 와타나베 미츠루 조교수, 교토대학 이학연구과 야나세 요이치 교수, 오사카대학 이학연구과 오치 마사유키 부교수, 대학원생 곤도 마사키(현 도쿄대학 고체물리연구소), 조교수 히로시와의 공동 연구 결과입니다 무라카와 하나사키 노리스케 교수

[자세한 설명]

연구 배경

자발자화가 없는 바카라 추천체는 누설자기장의 영향을 받지 않으며 고속, 저전력, 고내구성을 갖는 자성소자 소재로 주목받고 있다 바카라 추천 물질이 강자성 물질과 동등한 기능을 발휘하기 위해서는 전자 상태에서 스핀 분할을 일으키는 시간 역전(T) 대칭성을 깨뜨려야 한다 일반적인 바카라 추천체에서는 인접한 스핀이 반대 방향으로 번갈아 배열되기 때문에 T 대칭이 깨지지 않지만, T 대칭을 깨는 특별한 결정구조를 갖는 바카라 추천체가 최근 발견되어 활발하게 연구가 진행되고 있다

한편, 공간 반전(P) 대칭성을 동시에 깨뜨릴 수 있는 바카라 추천체는 제한된 수에 불과하며, 물질 탐사 및 응집 물질 연구는 아직 개발 중이었습니다 이러한 방식으로 P와 T 대칭이 모두 깨진 바카라 추천체는 P와 T의 곱인 PT 대칭을 유지하므로 "PT 대칭 바카라 추천체"라고 합니다 이 시스템의 전자적 상태는 기존의 강자성체와 완전히 다르며, 스핀 분할이 발생하지 않지만 운동량 공간에서는 비대칭을 이루고 있어 다양한 혁신적인 기능이 예측되고 있다 그 중 하나는 전류를 인가함으로써 전자 상태가 등방성 상태에서 이방성 전자액정(네마틱) 상태로 왜곡되는 현상이다(그림 1(a)) 이 현상은 강유전성 물질의 압전 효과를 금속 자성 버전으로 표현한 것이라고 할 수 있지만, 지금까지는 결정 크기의 미세한 변화로만 관찰되었습니다 금속이라는 장점을 살려 전기 전도로 관찰할 수 있다면 전례 없는 비선형 전자 기능이 가능해 실험적 검증이 시급했지만 이상적인 재료도, 측정 방법도 명확하지 않았다

이 이니셔티브

연구 그룹은 교대로 PT 대칭 바카라 추천층과 Dirac 전자층으로 구성된 물질인 SrMnBi₂에 중점을 두었습니다(그림 1(b)) 이 물질의 PT 대칭 바카라 추천층(Mn-Bi층)은 절연체이지만, 높은 금속 전도도를 나타내는 Dirac 전자를 포함하는 2차원 Bi층에 의해 위아래로 끼워지면 혼성화 효과로 인해 Dirac 전자 상태가 운동량 공간에서 비대칭이 됩니다 디랙 전자는 고체 속에 있고 이동도가 높음에도 불구하고 상대론적 운동방정식을 따르기 때문에 전자 상태가 조금만 왜곡되어도 전기저항에는 큰 변화가 나타난다 이 특성은 전자 액정화의 전류 검출에 유리하게 작용했습니다

우리 연구에서 우리는 전류 밀도를 높이기 위해 순수 단결정으로 만든 미세 가공 장치를 사용했습니다(그림 2(a)) 전류가 층간 방향으로 흐르면 층간 방향의 Dirac 전자 상태가 왜곡될 것으로 이론적으로 예측됩니다 전류가 가해지지 않을 때 Dirac 전자는 그림 1(b)에 표시된 대로 4개의 등가 원소를 갖습니다전자 포켓(주 6)로 표현되는데, 전류를 가하면 포켓 A와 B의 크기가 반대 방향으로 변하면서 액정처럼 등방성 상태에서 이방성 상태로 뒤틀린다 연구팀은 자기장을 층 방향으로 회전시키면서 전기저항(이방성 자기 저항 효과: AMR 효과(참고 7))을 측정하여 이 전자 액정 상태를 감지하려고 시도했습니다(그림 2(b) 참조)

그림 2(c)는 자기장 방향에 대한 AC 전기 저항의 의존성을 보여줍니다 상단 패널은 기본(선형) 구성 요소로, 90도 주기성을 나타내며 전류가 없을 때 4개의 전자 포켓의 등가성을 반영합니다 반면, 하단 패널에는 이중파 성분(비선형 성분)이 표시되어 있으며, 신호는 전류가 없을 때와 동일한 0도와 90도에서 최고점과 최저점을 가지며 180도 주기로 변화하는 것을 알 수 있습니다 이는 전류로 인해 A와 B의 전자 포켓의 크기가 동일하지 않게 된다는 사실에 해당합니다 인가된 전류에 비례하는 저항의 비선형 성분은 다이오드와 동일한 특성을 나타내며, 이는 자기장의 방향에 따라 다이오드의 극성(피크 또는 밸리)이 변경된다는 것을 의미합니다 이러한 방식으로 우리는 AMR 효과의 다이오드 구성 요소인 전류로 인한 전자 액정화를 처음으로 관찰했습니다

또한 전류와 자기장을 이용하여 PT 대칭 바카라 추천의 순서 패턴을 변경하여 다이오드 극성을 반전시키는 데 성공했습니다(그림 3) 일반적인 다이오드는 p/n 접합으로 이루어져 있어 이와 같은 외부 극성 제어는 이론적으로 불가능하지만, 이러한 현상은 자기 질서에 의한 것이기 때문에 가능하며, 전례 없는 소자 응용이 기대된다

향후 개발

현재 강자성체와 동일한 기능을 가지지만 외부 교란에 강하고 고속으로 작동할 수 있는 T 대칭이 깨진 바카라 추천체가 스핀트로닉스 응용을 위해 활발히 연구가 진행되고 있습니다 반면, PT 대칭 바카라 추천체는 강자성체와는 전혀 다른 전자적 상태를 갖고 있어 자기장의 방향에 따라 극성이 바뀌는 다이오드 효과(비선형 전도)를 나타내며, 이러한 스위칭도 가능하다는 사실이 처음으로 입증됐다 이러한 새로운 기능을 활용하면 기존보다 더 높은 기능성을 갖춘 메모리 소자, 자기 센서, 정류기 등의 설계가 가능할 것으로 기대되며, 이는 바카라 추천 스핀트로닉스 분야의 새로운 연구 분야 확립으로 이어질 것으로 기대된다

[승인]

이 연구는 JSPS KAKENHI(JP22H00109, JP22K18689, JP23H00268, JP23H04862, JP23H04014, JP23H04868, JP23KK0052, JP22H04933)의 지원을 받았습니다 이 연구는 다음의 지원을 받았습니다 JP23K22447, JP21H05470, JP24H01622) 또한 게재된 논문은 '도호쿠대학 2025 오픈액세스 추진을 위한 APC 지원사업'의 지원을 받아 오픈액세스로 게재됐다

[용어 설명]

참고 1 공간 반전 대칭/시간 반전 대칭: 공간 반전 대칭은 상하 또는 좌우가 뒤집어져도 결정 구조와 자기 특성이 변하지 않는 대칭입니다 시간역전대칭이란 시간의 흐름이 역전되어도 자기적 성질이 변하지 않는 대칭을 말한다 자화는 와전류에 의해 생성되는 "자기장"으로 생각할 수 있으므로 시간 반전 작업을 통해 방향을 바꿀 수 있습니다 이러한 이유로 자발 자화를 갖는 강자성 물질에서는 시간 역전 대칭이 깨집니다
참고 2 바카라 추천 물질: 인접한 자기 요소의 스핀이 반대 방향으로 배열되어 있고 자발적인 자화가 없는 자성 물질입니다 개별 스핀의 방향이 시간 반전 작업에 의해 반전되더라도 전체적으로 서로 상쇄되는 방식은 동일하게 유지되므로 일반적으로 시간 반전 대칭이 유지됩니다
참고 3 Dirac 전자: 특수한 결정 구조를 가진 물질에서 상대론적 디랙 방정식으로 운동이 설명되는 전자(전도 캐리어)입니다 이러한 전자는 우수한 전기 전도성을 가지며 일반 금속 및 반도체의 전도 캐리어보다 훨씬 더 높은 이동성을 나타냅니다
참고 4 저항의 다이오드형 구성요소: 보통 옴의 법칙에 따르면 전압은 전류에 비례하며 비례 계수인 저항은 전류의 방향이 바뀌더라도 변하지 않습니다 그러나 전류에 의해 상태가 변화하는 물질에서는 전압이 전류의 선형뿐만 아니라 2차에도 비례하는 비선형 성분을 갖는다 이 비선형 성분에서 파생된 저항은 전류의 방향이 바뀌면 부호가 반전되므로 다이오드와 동등한 특성을 갖습니다
참고 5 네마틱: 공간적 위치 순서 없이 한 방향으로 방향 순서가 있는 상태입니다 네마틱 액정에서는 이방성 분자가 무작위로 분포되어 있지만 동일한 방향으로 배열되어 있습니다 이번에는 디랙 전자가 위치 순서가 없는 금속으로 남아 전자 포켓이 전류에 의해 한 방향으로 왜곡됩니다
참고 6 전자 포켓: 전도에 기여하는 전자가 모이는 운동량 공간의 계곡(밸리라고도 함)입니다 모양과 크기에 따라 재료의 전기 전도성이 결정됩니다
참고 7 이방성 자기 저항 효과(AMR 효과): 자기장의 방향에 따라 전기 저항이 변하는 현상입니다 이 효과는 자기 센서, 하드 디스크 등에 널리 사용됩니다

[논문 정보]

제목: 패리티-시간 대칭 바카라 추천체에서 전류 유도 네마틱 디랙 계곡의 수송 증거

저자: H Sakai*, Y Miyamoto, M Kimata, H Watanabe, Y Yanase, M Ochi, M Kondo, H Murakawa, N Hanasaki
*교신저자: 도호쿠대학교 재료연구소 교수 사카이 히데아키

네이처 커뮤니케이션즈에 게재됨

DOI:101038/s41467-025-67229-y

URL:https://wwwnaturecom/articles/s41467-025-67229-y

참조 기반:첨단기초연구센터

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바카라 추천체의 전류에 의한 전자의 액정화 시연-전자제품에 적용할 수 있는 전기 저항 변화를 세계 최초로 관찰-