SLAC 주도 연구팀, MnTe에서 알터자성의 키랄 구조 확인

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SLAC National Accelerator Laboratory가 2026년 10월 29일 공개한 연구 소개에 따르면, SLAC 주도 연구팀은 망가니즈 텔루라이드(MnTe)에서 알터자성의 특징으로 제시돼 온 키랄 자기 구조를 실험으로 확인했습니다. 연구팀은 프랑스 유럽 싱크로트론 방사광 시설(ESRF)의 ID32 빔라인에서 MnTe에 원편광 X선을 쏘고, 좌원편광과 우원편광에 대한 산란 반응을 비교했습니다. 두 방향의 빛에 대한 산란 양상이 달랐고, 연구팀은 이 차이를 일반적인 반강자성으로 설명할 수 없는 키랄성 신호로 해석했습니다.

자성체를 구별하는 기본 기준은 전자 스핀의 배열입니다. 강자성체에서는 스핀이 한 방향으로 정렬돼 외부에서 관측할 수 있는 순자화가 생깁니다. 반강자성체에서는 스핀이 위아래로 번갈아 배열돼 서로 상쇄되므로 전체 자화가 0이 됩니다. MnTe도 수십 년간 반강자성체로 여겨졌으며, 순자화가 없고 스핀이 교대로 배열된다는 점만 보면 반강자성과 알터자성은 비슷합니다.

두 상태의 차이는 스핀을 둘러싼 결정 격자와 그 대칭성에서 나옵니다. 알터자성에서는 위 스핀 주변의 격자 방향이 아래 스핀 주변의 격자 방향에 비해 회전한 것으로 설명됩니다. 이 비틀림이 구조의 대칭을 깨고 손잡이성을 만든다는 것이 연구진이 확인하려 한 특징입니다. 거울에 비춘 모양과 원래 모양을 겹칠 수 없는 성질을 키랄성이라고 합니다. 따라서 전체 자화가 0이라는 사실만으로는 알터자성을 판별할 수 없고, 격자와 스핀 배열이 함께 만드는 비대칭 신호가 구별의 단서가 됩니다.

연구팀은 이 단서를 보기 위해 좌우 방향의 원편광 X선을 활용했습니다. SLAC의 주저자 Daniel Jost는 키랄 물질은 왼손형과 오른손형 원편광 X선을 서로 다르게 산란시키지만, 키랄성이 없는 물질은 두 빛에 같은 방식으로 반응한다고 설명했습니다. MnTe에서 관측한 산란 차이는 연구진이 찾던 키랄성의 직접적인 실험 증거였습니다. 공동저자 Rachel Nickel은 ESRF의 해당 빔라인에서 실험 설계와 수행을 도왔습니다.

연구팀은 첫 실험을 2024년에 했고 2025년 초 같은 실험을 반복해 결과를 확인했다고 밝혔습니다. SLAC은 2024년까지 알터자성을 뒷받침하는 여러 단서가 있었지만, 후보 물질에서 키랄성을 직접 보여주는 실험이 남아 있었다고 전했습니다. 이번 결과는 그 빠진 증거를 MnTe에서 제시한 것입니다. 논문은 D. Jost 등이 저술해 2026년 10월 29일 Science에 발표했습니다.

SLAC은 알터자성이 스핀트로닉스에 쓰일 가능성도 설명합니다. 스핀트로닉스는 전자의 전하뿐 아니라 스핀도 정보 저장과 이동에 활용합니다. 연구진의 설명에 따르면 강자성체는 외부 자기장에 영향을 받기 쉽고, 반강자성체는 순자화가 없어 데이터를 읽거나 스핀 전류를 효율적으로 구동하기 어렵습니다. 알터자성은 순자화가 0이면서 스핀 편극 전류를 만들 수 있어 두 특성을 함께 활용할 후보로 거론됩니다. SLAC은 이를 양자 기술, 메모리, 데이터센터용 전자소자의 잠재적 응용으로 들었으며, 빛과 전기로 알터자성 상태를 제어하는 연구를 향후 과제로 제시했습니다.