교대자성 확인: 물리학자들이 MnTe에서 세 번째 형태의 자성을 입증하다

거의 90년 동안 물리학 교과서는 자석을 두 종류로 분류해 왔고, 그 분류가 이제 깨졌다. 미국 에너지부 산하 SLAC 국립가속기연구소가 이끄는 연구팀은 이번 주 Science에 망간 텔루라이드(MnTe)라는 물질에서 교대자성(altermagnetism)이라 불리는 세 번째 자기 상(phase)에 대한 결정적인 실험적 증거를 확보했다고 보고했다. 이는 한 분야에 사실 하나를 더하는 성과가 아니라, 교과서에 장 하나를 더하는 성과다.

옛 그림은 머릿속에 담기 쉬울 만큼 단순하다. 강자성체에서는 전자의 스핀——"위" 또는 "아래"를 향하는 내재적 각운동량——이 모두 같은 방향으로 정렬되어 냉장고 문에 메모를 붙잡는 자기장을 만든다. 인류는 고대부터 강자성체를 사용해 왔다. 1933년 물리학자들은 두 번째 종류를 발견했다. 반강자성체에서는 스핀이 위-아래-위-아래로 교대로 배열되어 서로 상쇄되고, 순 자기 효과가 남지 않는다. 이러한 이분법은 거의 한 세기 동안 유지되다가, 일부 물질이 말썽을 부리기 시작했다. 반강자성체 같은 교대 스핀을 보이면서도 강자성체처럼 스핀 편극 전류를 운반할 수 있었던 것이다. 서로 배타적이라고 여겨졌던 두 행동이다. 2022년 연구자들은 이 말썽꾸러기들에게 이름을 붙였다. 교대자성체다.

그 이름 뒤의 이론은 기하학적 비틀림이다. 교대자성체의 스핀은 반강자성체처럼 교대로 배열되지만, "위" 스핀 주위의 결정 격자가 "아래" 스핀 주위의 격자에 대해 회전되어 있다. 이론에 따르면 이러한 대칭 깨짐은 일반적인 반강자성체에는 없는 손지기(chirality)——왼손이 오른손 장갑에 들어가지 않는 것과 같은, 거울상과 겹쳐지지 않는 성질——를 물질에 부여해야 한다. 2024년까지 여러 증거가 그 방향을 가리켰지만, 결정적인 조각은 여전히 빠져 있었다. 손지기 자체를 직접 관측한 사람은 아무도 없었다.

SLAC이 이끄는 연구팀이 찾으러 간 것이 바로 그것이었고, 그들은 MnTe에서 그것을 발견했다. MnTe는 오랫동안 평범한 반강자성체로 분류되어 왔다. 연구팀은 프랑스의 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF)에서 정밀하게 제어된 편광 X선을 만들 수 있도록 설계된 빔라인을 이용해 원편광 X선을 물질에 산란시키고, 왼쪽 회전 빛과 오른쪽 회전 빛에 대한 반응을 비교했다. 비키랄 물질이라면 두 빛을 동일하게 산란시켰을 텐데, MnTe는 그렇지 않았다. 키랄 신호는 분명했고, 연구팀이 2025년 초 실험을 반복했을 때도 유지되었다. 제1저자 다니엘 요스트는 이를 "교대자성이 독자적인 부류라는 것을 말할 수 있는 탄탄한 실험적 근거"라고 부른다.

물리학과 밖의 사람이 왜 관심을 가져야 할까? 스핀트로닉스 때문이다. 전자의 전하뿐 아니라 스핀까지 이용해 전자 소자를 만들려는 노력으로, 더 빠르고, 더 견고하며, 전력 소모가 훨씬 적은 소자를 약속한다. 데이터센터에는 현실적인 관심사다. 옛 두 종류의 자석은 정반대 방식으로 실패한다. 강자성체는 너무 쉽게 교란된다. 요스트의 말대로, 주머니 속 영구자석을 가지고 강자성체 기반 소자 옆을 지나가면 그 소자의 비트가 뒤집힐 수 있다. 반강자성체는 안정성 문제를 해결하지만 사실상 "보이지 않기" 때문에 데이터를 읽어내거나 유용한 스핀 전류를 흘려보내기가 어렵다. 교대자성체는 두 가지를 동시에 약속한다. 순 자화가 0이라 안정적이면서도 정보를 쉽게 읽어내는 데 필요한 스핀 편극 전류를 만들어낸다. 바로 이러한 조합 때문에 이 논문은 박물관 선반이 아니라 메모리 소자, 양자 기술, 데이터센터를 가리킨다.

솔직한 단서가 두 가지 있으며, 둘 다 중요하다. 첫째, 이는 하나의 물질에서, 하나의 연구팀의 기법으로 얻은 증명이다. 이제 이 분야는 그 신호가 일반화된다는 것과 교대자성 상태를 빛과 전기로 제어할 수 있다는 것을 보여줘야 하며, 연구자들은 이를 다음 단계로 꼽고 있다. 둘째, 아직 소자는 존재하지 않는다. 싱크로트론 빔라인에서 메모리 칩까지의 길은 수년간의 재료 공학을 거치며, 아름다운 물리학 중 많은 부분이 그 여정을 끝내지 못한다. 고무적인 신호는 속도다. 이 개념은 2022년에야 이름이 붙었는데, 4년 만에 제안에서 직접적인 실험적 확인으로 나아갔다. 며칠 전에는 또 다른 연구팀이 비틀린 2차원 구조에서 교대자성을 보고했으며, 이는 새로운 교대자성 물질 탐색이 이미 MnTe를 넘어 넓어지고 있음을 시사한다.

내가 가장 마음에 들어 하는 점은 더 깊은 부분이다. 이분법이 90년 동안 유지된 것은 자연이 정연하기 때문이 아니라, 우리의 기기가 그 비틀림을 볼 수 없었기 때문이다. 더 나은 빔라인, 손지기에 대한 더 날카로운 질문, 그리고 완결된 것처럼 보였던 분류가 사실 처음부터 불완전했다는 것이 드러났다. 이는 완성된 것처럼 느껴지는 모든 분야에 유용한 일깨움이다. 세 번째 선택지는 때로 처음 두 선택지의 절충안이 아니다. 기하학 속에 숨은 진정으로 새로운 무언가다.