바카라 룰의 "자석"을 지그재그 패턴으로 배열하여 전기의 흐름을 제어
--새로운 전류 제어로 초소형, 에너지 절약, 고성능 장치로의 길 열림--

원자가 지그재그 패턴으로 배열된 반강자성 물질에서 발생하는 "바카라 룰 흐름 방향의 바이어스"(비상호 전도)의 개념도　미세한 자석(전자 스핀)이 지그재그 패턴으로 배열되어 스핀 방향에 규칙성이 생기면 바카라 룰의 흐름이 비대칭이 됩니다

[요약]

바카라 룰회로에 사용되는 다이오드는 바카라 룰가 한 방향으로만 흐르게 하는 전자부품으로, 성질이 다른 반도체들을 접합하여 만들어집니다 이번에 연구팀은 미세한 자석(전자 스핀)이 지그재그 패턴으로 배열된 특수 구조를 가진 금속에서 바카라 룰가 더 쉽게 흐르게 되는 '일방향 바카라 룰의 성질'(비상호 전도)이 자연스럽게 나타나는 것을 발견했다

이 금속은 원자가 지그재그 패턴으로 배열되어 있고, 전자의 스핀도 지그재그 패턴으로 배열되어 있는 구조를 가지고 있습니다 온도가 낮아지면 회전 방향이 서로 바뀐다반대 방향에 있는 특성(반강자성)(주 1)내부 미세 자기장(내부 자기장)을 형성하는 스핀 배열의 결과로 바카라 룰가 흐르기 쉬운 방향으로 편향되는 비상역 전도가 나타나는 것을 발견했습니다 지금까지 이 효과는 외부 자기장이 적용될 때만 관찰되었습니다 그러나 이번에는 외부 자기장이 필요하지 않을 뿐만 아니라, 외부 자기장을 사용할 때보다 바카라 룰 흐름의 편향이 1000배 이상 크다는 사실을 확인했다 또한, 결정 내부의 다양한 부위를 측정한 결과, 각 부위마다 바카라 룰가 쉽게 흐르는 방향이 다르다는 사실을 발견했습니다 이는 결정의 일부에 스핀이 다르게 배열되어 있기 때문인 것으로 생각되며, 이러한 차이가 포착된 것이다 즉, 바카라 룰의 흐름을 조사함으로써 반강자성체의 자기적 성질을 분석할 수 있었다

이 결과는 스핀에 의해 생성된 내부 자기장이 스핀의 지그재그 배열로 인해 반강자성을 나타내는 물질에서 바카라 룰 흐름을 편향시키는 새로운 원리를 발견했습니다 동시에, 반강자성 물질의 자기적 특성을 규명하려면 대규모 시설과 특수한 측정 방법이 필요하지만, 기존보다 쉽게 ​​일반 실험실에서 측정에 사용할 수 있는 방법을 제공하겠습니다 이를 통해 차세대 에너지 절약형 초소형 장치 개발로 이어지는 연구를 가속화하고 미래 컴퓨터 및 통신 장비의 진화를 지원할 것입니다

이 연구는 바카라 커뮤니티(회장: 오구치 마사노리) 첨단 기초 연구 센터, 핵 과학 연구소 키마타 하지메, 강력 상관 악티나이드 과학 연구 그룹 부연구 책임자, 수도 켄타, 도쿄 대학교 고체 물리학 연구소 특임 연구원(총장: 후지이 테루오), 도호쿠 대학교 금속(총장: 테이지) 도미나가) 이 글은 재료연구소(현 고베대학 연구기반센터) 아카기 노보루 조교수, 도야마현립대학 공학부 교양센터 타니다 히로시 부교수, 야나기 유키 부교수(학장: 오가사와라 츠카사)가 작성했다

이 연구 결과는 2026년 1월 5일(현지 시간) 미국 물리학회 저널 "Physical Review Letters" 온라인판에 게재되었습니다 또한 편집부, 물리학지에서 주목할만한 논문 Editors’ Suggestion으로 선정되었습니다(URL:https://physicsapsorg/)에서 소개되었습니다

 

[배경 및 역사]

우리 주변의 대부분의 물질에서 바카라 룰는 양방향으로 동일하게 흐릅니다 다이오드는 반도체 소자의 일종으로 전류를 제어하는 데 사용되는 전자부품으로, 바카라 룰를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 효과가 있다 이는 서로 다른 특성을 지닌 반도체를 결합한 접합 구조를 통해 달성됩니다

최근 연구에 따르면 다이오드와 같은 서로 다른 물질을 결합하지 않더라도 물질 내부의 바카라 룰 흐름 방향에 편향을 일으키는 '바카라 룰의 단방향성' 또는 '비상호 전도'라는 현상이 발생할 수 있다는 것이 이론적으로 나타났습니다 물질 내부의 원자 배열과 전자의 자기적 특성(스핀)으로 인해 비가역 전도가 발생합니다

그러나 외부 환경의 변화 없이는 자연상태에서는 관찰이 어렵고, 지금까지 확인된 사례는 외부에서 자기장을 가하는 사례에 국한되어 있었습니다

[이 결과]

이번 연구 그룹은 전자 스핀의 방향이 엇갈리는 '반강자성' 특성을 지닌 금속에 초점을 맞췄습니다 이 물질(NdRu₂알₁₀: 네오디뮴-루테늄-알루미늄 화합물)은 원자가 지그재그 형태로 배열된 구조를 가지며, 상온에서 전자의 스핀 방향이 변화한다 그러나 온도가 낮아지면 스핀은 반대 방향으로 교대로 정렬됩니다 이러한 지그재그 자기 배열은 자연적으로 바카라 룰 내부에 자기장을 생성하며, 외부 자기장을 가하지 않고도 전기가 흐르기 쉬운 방향으로 편향되는 비가역 전도를 처음으로 관찰했습니다 또한, 이 효과는 외부 자기장 하에서 기존 소재가 나타내는 것보다 1000배 이상 강한 것을 확인했습니다(왼쪽 그림)

또한 NdRu₂알₁₀우리는 결정의 미세한 영역을 측정하기 위해 샘플을 만들고 전기의 흐름을 측정했습니다 그 결과, 스핀 방향(상하)의 순서가 바뀌는 영역이 존재하고, 그 영역에서는 전기가 흐르기 쉬운 방향도 반전된다는 사실이 밝혀졌다(오른쪽 그림 참조) 이는 전기를 사용하여 바카라 룰 내부의 자기 배열을 시각화하는 새로운 측정 원리를 보여줍니다

(왼쪽 다이어그램) 바카라 룰의 "일방향 전기 특성"(비상호 전도) 비교　본 연구의 자료(NdRu₂알₁₀)는 이전에 보고된 사례보다 1000배 이상의 효과를 나타냈습니다

(오른쪽 그림) 준비된 마이크로 샘플의 전자현미경 이미지(위)와 스핀 정렬에 따른 비가역 전도의 모식도(아래)회전 방향의 순서가 반대라면(왼쪽 영역은 파란색 ↓ 빨간색 ↑, 오른쪽 영역은 파란색 ↑ 빨간색 ↓), 바카라 룰가 쉽게 흐르는 방향도 반대가 됩니다

[미래 전망]

이 결과는 원자의 지그재그 배열과 관련된 반강자성 스핀 정렬이 내부 자기장으로 기능하여 외부 자기장이 없어도 바카라 룰가 흐르는 방향으로 편향되는 비상역 전도를 일으키는 새로운 원리를 보여줍니다

스핀트로닉스(참고 2)(전자스핀을 이용한 전자기술) 앞으로 이 원리를 적용하면 차세대 에너지 절약형 초소형 디바이스 개발로 이어지는 연구가 가속화될 것으로 기대된다

[논문 정보]

저널명: Physical Review Letters (편집자 제안 주목할만한 논문으로 선정)

제목: 무자화 반강자성체의 대규모 자발적 비가역 전하 수송

저자: 스도 켄타*, 야나기 유키, 아카키 미츠루, 타니다 히로시, 키마타 모토이*
*교신저자

DOI:https://doiorg/101103/13pd-tlzp

[참조]

[1] K Sudo 등, 키랄 반도체에서 비가역 수송의 밸리 분극 의존성, Phys B108, 125137 (2023).

[2] R Aoki 등, 키랄 자기 질서의 변칙적 비가역 바카라 룰 수송, Phys 렛 목사님122, 057206 (2019).

[3] F Calavalle, et al, 텔루르 나노와이어의 게이트 조정 가능 및 키랄성 의존 전하-스핀 변환, Nat 어머니21, 526 (2022).

[4] T Ideue, et al, 극성 반도체의 대량 정류 효과, Nat 물리13, 578 (2017).

[5] T Yokouchi, et al, 키랄 스핀 변동에 의해 유도된 바카라 룰 자기키랄 효과, Nat 커뮤니케이터8, 866 (2017).

[6] Y Wang 등, 위상학적 반금속 ZrTe의 거대한 자기키랄 이방성₅, 물리 렛 목사님128, 176602 (2022).

[지원 정보]

이 연구는 JSPS KAKENHI 보조금 JP25K00955, JP22H00109, JP25H00599, JP24K21522, JP23H04014, JP23H04868, JP23KK0052, JP23K22447, JP22H04933, 이 작업은 JP22H01176, JP21H05470, JP23K20824 및 특별 연구원 보조금(22J11892)의 지원을 받았습니다 이번 연구의 일부는 도호쿠대학교 바카라 룰연구소 고전자장 초전도 바카라 룰 연구센터 공동 프로젝트로도 수행됐다(프로젝트 번호 202212-HMKPA-0418, 202112-HMCPA-0408, 202012-HMKPA-0417)

<추가 참고 사항>

각 연구원의 역할은 다음과 같습니다

・Kimata(바카라 커뮤니티): 연구 아이디어

・Tanida(도야마 현립 대학): 결정 성장

・스도(도쿄 대학), 아카기(도호쿠 대학), 키마타: 측정

・스도, 키마타, 야나기(도야마현립대학): 데이터 분석

[용어 설명]

(주 1) 반강자성

물질 자체가 전체적으로 자력을 갖는 상태를 "강자성"이라고 합니다 이때 물질 내 전자의 스핀 방향은 모두 같은 방향으로 정렬됩니다 반면, 반강자성 물질에서는 인접한 스핀이 반대 방향으로 "엇갈린" 상태에 있습니다 따라서 물질 수준에서는 자기력이 발현되지 않지만, 규칙적인 자기 배열이 존재하는 것이 특징이다 예전에는 기능성이 거의 없는 물질이라고 여겨졌으나, 최근에는 강자성체에 필적하는 특성을 갖는 반강자성체 바카라 룰가 발견되어 주목을 받고 있습니다

(주 2) 스핀트로닉스

전자는 "바카라 룰"와 "자기" 특성을 모두 가지고 있습니다 지금까지 전자공학은 바카라 룰의 성질을 주로 활용해 왔지만, 스핀트로닉스는 자기(스핀의 방향)의 성질도 활용하는 신기술이다 전류를 켜고 끄는 것뿐만 아니라 스핀의 방향을 이용하여 신호를 제어할 수 있기 때문에 발열이 적고 에너지가 절약되며 고속 정보처리가 가능해질 것으로 기대된다