Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

열과 전기는 보통 같은 방향으로 함께 움직이는 파트너로 생각됩니다. 금속 막대의 한쪽 끝을 가열하면, 전기는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 흐릅니다. 하지만 물결이 바람에 의해 옆으로 흐르는 강물처럼, 열과 전기가 서로 직각 방향으로 강제되어 움직이게 만드는 특별한 물리적 트릭이 있습니다. 네른스트 효과(Nernst effect)라고 알려진 이 현상은 부피가 큰 기계 장치 없이도 폐열을 유용한 전기로 바꾸는 강력한 도구입니다. 과학자들은 오랫동안 이 현상이 일어나는 두 가지 주요 방식을 이해해 왔습니다. 하나는 외부 자기장이 전자를 밀어내는 것에 의존하는 것이고, 다른 하나는 재료 자체의 내부 자기 질서에 의존하는 것입니다. 수십 년 동안 지배적이었던 믿음은, 재료가 영구 자성을 잃는 순간—즉, 퀴리 온도(Curie temperature)라고 불리는 특정 온도에 도달하는 순간—내부적인 이 효과도 사라질 것이라는 것이었습니다. 자기 질서가 사라지면, 그와 함께 효과도 사라질 것으로 예상되었습니다.

일본 국립재료연구소(NIMS)와 도쿄 대학교의 연구팀은 이러한 오랜 가설에 도전했습니다. 망간, 크로뮴, 안티모니로 구성된 특정 재료군을 연구함으로써, 그들은 재료가 영구 자성을 잃는 즉시 네른스트 효과가 단순히 꺼지지 않는다는 사실을 발견했습니다. 대신, 이 효과는 재료가 자성을 잃는 바로 그 온도 근처에서 오히려 가장 강력해졌습니다. 연구진은 일반적인 자기 신호는 이 임계점에서 완전히 사라지는 반면, 원자 스핀의 무질서하고 요동치는 움직임에 의해 구동되는 다른 종류의 신호는 여전히 강력하게 남아 있다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 무질서한 상태에서의 격렬하고 꿈틀거리는 스핀의 움직임이 고정된 자기장만큼이나 효과적으로 전기를 생성할 수 있음을 시사합니다.

이 숨겨진 거동을 찾아내기 위해, 연구팀은 크로뮴의 양을 정밀하게 조절하여 재료가 자성을 잃는 온도를 변화시킨 $Mn_{1-a}Cr_aSb$ 화학식을 가진 일련의 다결정 샘플들을 제작했습니다. 그들은 고순도 원소들을 함께 녹이고, 이를 가루로 갈아낸 뒤, 스파크 플라즈마 소결법이라는 기술을 사용하여 단단한 막대 형태로 압착하여 재료를 합성했습니다. 결과물인 막대는 육각형 구조를 가졌으며 불순물이 없었으며, 크로뮴 함량에 따라 퀴리 온도는 약 295K에서 480K 사이였습니다. 연구진은 네른스트 효과를 측정하기 시작했으나, 고체 블록 내에서 이 효과를 직접 측정하는 것은 열이 혼란스러운 방식으로 재료를 통해 누출될 수 있기 때문에 어려움에 직면했습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 락인 열화상법(lock-in thermography)이라는 영리한 간접 방식을 사용했습니다. 전기를 직접 측정하는 대신, 샘히플에 전류를 흘려보내면서 자기장을 가했는데, 이는 에팅가우젠 효과(Ettingshausen effect)라고 불리는 연관된 효과로 인해 샘플이 특정한 패턴으로 가열되게 만들었습니다. 적외선 카메라를 사용하여 샘플 표면의 온도 파동을 관찰함으로써, 그들은 다른 열적 노이즈의 간섭 없이 네른스트 효과가 얼마나 강한지를 정확히 계산할 수 있었습니다.

결과는 놀랍고도 명확했습니다. 연구진은 샘플을 가열하면서 네른스트 신호가 어떻게 변하는지 관찰했습니다. 일반적인 자성 재료라면 재료가 자성을 잃는 순간 신호가 0으로 떨어져야 합니다. 그러나 이 망간-크로뮴-안티모니 샘플에서는 네른스트 신호가 사라지지 않았습니다. 재료가 자기 상태에서 비자기 상태로 넘어가는 동안에도 신호는 유한한 값을 유지했습니다. 실제로, 신호는 퀴리 온도 근처에서 뚜렷한 정점(peak)을 보여주었습니다. 동시에 연구진은 자성 재료에서 보통 네른스트 효과와 완벽하게 궤를 같이하는 성질인 이상 홀 저항(anomalous Hall resistivity)을 측정했습니다. 그러나 이 성질은 예상대로 퀴리 온도에서 정확히 0으로 떨어졌습니다. 이러한 불일치는 하나의 수수께끼를 만들어냈습니다. 네른스트 효과는 여전히 살아 움직이고 있었지만, 이를 구동하던 일반적인 자기적 동력은 사라진 상태였기 때문입니다.

연구팀은 이러한 이상 현상에 대한 몇 가지 흔한 설명들을 검토하여 제외했습니다. 열은 전달하지만 전기는 전달하지 않는 작은 자기 입자인 마그논(magnon)이 이 효과를 끌고 가는 것인지 고려했으나, 계산 결과 마그논은 이 높은 온도에서는 그 영향력을 잃는 것으로 나타났습니다. 또한 이 현상을 책임질 수 있는 이색적인 자기 구조나 특이한 전자 구조를 조사했으나, 데이터는 이러한 아이디어를 뒷받침하지 않았습니다. 대신, 연구진은 그 원인이 종방향 스핀 요동(longitudinal fluctuation of spins)에 있다고 제안했습니다. 자성 재료에서 전자의 스핀은 보통 고정된 방향을 향합니다. 재료가 퀴리 온도를 향해 가열됨에 따라, 이 스핀들은 흔들리고 요동치기 시작합니다. 대부분의 이론은 스핀이 옆으로 흔들리는 것에 집중하지만, 연구진은 스핀 자체의 방향을 따라 발생하는 요동이 네른스트 효과를 구동한다는 것을 발견했습니다. 그들은 이러한 종방향 스핀 요동 개념을 바탕으로 이론적 모델을 구축했고, 실험에서 관찰된 정점 거동을 완벽하게 재현해 냈습니다.

이 발견은 과학자들이 열을 전기로 변환하는 방식에 대한 생각을 바꿉니다. 강력한 횡방향 열전 효과를 생성하기 위해 반드시 완벽하게 정렬된 자기 상태가 필요한 것은 아니라는 점을 밝혀냈기 때문입니다. 퀴리 온도 근처의 혼돈스럽고 요동치는 스핀 상태는 막다른 길이 아니라 에너지 변환을 위한 강력한 엔진입니다. 이 효과는 상온보다 높은 온도에서도 작동하기 때문에, 산업 공정이나 엔진에서 발생하는 열을 더 효율적으로 수확할 수 있는 열전 소자를 설계하는 데 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 연구는 원자와 전자의 격렬한 움직임이 흔히 무질서의 원인으로 간見되지만, 이를 활용하여 유용한 전류를 만들어낼 수 있음을 보여주며, 에너지 기술을 개선하기 위한 새로운 길을 제시합니다.