AI가 발견한 상온 자성 반도체, 스핀트로닉스의 게임체인저

핵심 요약

• 강자성체와 반강자성체의 중간 성질을 가진 '룬팅거 보상' 반도체를 찾는 것이 스핀트로닉스 분야의 오랜 과제였다.
• 강자성체는 원자 자석이 모두 같은 방향을 가리켜 큰 자기장을 만들지만 제어가 어렵고 전환이 느리다.
• 반강자성체는 상하 자석이 상쇄되어 자기장이 없지만, 전자의 스핀을 에너지 준위별로 분류할 수 없어 정보 저장이 어렵다.
• 룬팅거 보상 재료는 상하 원자 자석의 크기가 같아 순 자기 모멘트가 0이지만, 상하 원자가 다른 환경에 있어 스핀 정렬이 가능하다.
• AI 에이전트는 새로운 화합물 YBaMnFeO₅을 설계했으며, 2.35 eV 띠틈과 1.0~1.4 eV의 스핀 정렬 창을 가지며 약 420~490 K까지 자성을 유지한다고 예측했다.
• 다만 제조 과정에서 필요한 원자 배열이 고온에서 흐트러져 실제 제작이 어려울 수 있다.
• 동시에 1999년 처음 제작된 KV[Cr(CN)₆]가 룬팅거 보상 반도체임을 규명했으며, 이는 2.1 eV 띠틈과 1.6~2.6 eV의 스핀 정렬 창을 가진다.
• KV[Cr(CN)₆]는 376 K(103°C)까지 자성이 유지되며, 각 금속이 정해진 위치에 고정되어 있어 제조가 용이하다.
• 1999년 시료는 미세한 자기 모멘트(0.125 보어 자성자/단위 공식)가 남았으나, 완벽한 결정에서는 0이 될 것으로 예측된다.
• 정확한 시뮬레이션(HSE06)은 물의 영향 후에도 스핀 정렬이 유지될 것으로 예측하지만, 빠른 방법(PBE+U)은 정공 창이 절반 이상 줄어들 수 있다고 한다.
• 아직 실제로 띠틈과 스핀 정렬을 측정한 실험이 없어, 다음 단계는 KV[Cr(CN)₆]를 다시 제작하고 직접 측정하는 것이다.
• 이 연구는 GitHub에서 계산 코드와 데이터를 공개했으며, 두 재료 모두 상온에서 제어 가능한 자성을 가진 차세대 스핀트로닉스 소자 후보라고 결론지었다.