Field-driven phase transition crossover in kagome antiferromagnet Mn$_{3-x}$Co$_x$Sn

자성(magnetism)은 흔히 켜짐과 꺼짐 사이의 단순한 토글 스위치로 생각되기 쉽지만, 특정 물질 내에서는 그 이야기가 훨씬 더 복잡합니다. 일부 고체 내부의 원자 구조 깊숙한 곳에는 '스핀'이라 불리는 작은 자기 화살표들이 복잡한 패턴으로 배열되어 있으며, 이 패턴은 온도가 변하거나 외부 자기장이 가해질 때 급격하게 변화할 수 있습니다. 이러한 변화가 일어날 때 물질은 열을 흡수하거나 방출하는데, 이를 '자기열량 효과(magnetocaloric effect)'라고 합니다. 이 효과는 전통적인 냉장고에서 사용하는 유해한 가스 없이도 물체를 냉각할 수 있는 기술인 자기 냉각의 엔진 역할을 합니다. 그러나 이 힘을 활용하기 위해서 과학자들은 이러한 자기적 변화가 정확히 어떻게 일로 일어나는지 이해해야 합니다. 그것은 매끄럽고 점진적인 변화일까요, 아니면 갑작스럽고 날카로운 도약일까요? 그 차이는 효율적인 냉각 장치를 설계하는 데 있어 매우 중요하며, 바로 이 지점에서 '카고메 반강자성체(kagome antiferromagnets)'라고 불리는 특정 물질군이 매혹적인 수수께끼가 됩니다.

최근 연구에서 인도 공과대학교 칸푸르(IIT Kanpur)의 연구진은 Mn3Sn이라는 결정에 주목했습니다. 이 물질은 망간 원자들이 벌집 모양의 패턴인 카고메 격자를 형성하는 삼각형의 모서리에 위치하는 독특한 내부 구조로 유명합니다. 상온에서 이 결정의 자기 스핀은 비공선형 삼각형 구조를 이루는데, 이는 스핀들이 동일 평면 내에서 정렬되지 않고 서로 다른 방향을 향하고 있음을 의미합니다. 결정이 냉각됨에 따라 스핀은 나선형 패턴으로 재배열되는 변이를 겪습니다. 이 전이는 약 278K 부근의 특정 온도에서 발생하며, 이는 날카롭고 갑작스러운 사건입니다. 연구진은 결정의 레시피를 약간 수정함으로써 이 날카로움을 다스리고, 심지어 전이의 성질 자체를 바꿀 수 있는지 알고 싶었습니다.

이를 테스트하기 위해 연구팀은 고품질의 Mn3Sn 단결정을 성장시킨 후, 망간 원자의 일부를 코발트로 교체하여 새로운 버전을 만들었습니다. 카고메 구조의 근본적인 틀은 유지하면서 미세한 변화만을 도입하기 위해 코발트 농도는 8%로 낮게 유지했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 순수 결정에서 278K의 자기 전이는 '1차 상전이(first-order phase transition)'의 특징인 날카롭고 갑작스러운 도약을 보였습니다. 이러한 급격한 변화는 종종 '열적 이력 현상(thermal hysteresis)'을 동반하는데, 이는 마치 문을 밀 때 밀 때는 뻑뻑하지만 당길 때는 부드럽게 미끄러지는 것처럼, 물질이 가열될 때와 냉각될 때 다르게 행동함을 의미합니다. 또한 순수 결정은 일반적인 자기 냉각 물질에서 기대되는 것과는 '역(inverse)'인 방식으로 엔트로피(무질서도)가 감소하는 특정한 유형의 자기 반응을 보여주었습니다.

코발트가 첨가되자 이야기는 완전히 바뀌었습니다. 날카로운 전이 온도는 175K로 크게 떨어졌고, 210K 부근에서 새롭고 약한 자기 거동이 나타났습니다. 코발트 원자는 교체된 망간보다 크기가 약간 작기 때문에 결정 격자를 압착하여 결정이 수축하게 만들었습니다. 이러한 물리적 조임은 원자 간의 상호작용 방식을 변화시켜 카고메 패턴의 완벽한 대칭성을 깨뜨렸습니다. 이 대칭성 붕괴는 스핀이 평평한 평면 밖으로 약간 기울어지게 하여 약한 강자성 특성을 가진 새로운 자기 상태를 유도했습니다. 순수 결정에서 보였던 날카롭고 갑작스러운 도약 대신, 코발트가 도핑된 버전은 훨씬 넓고 매끄러운 전이를 보여주었습니다. 그러나 연구진은 순수 샘플에서 나타났던 열적 이력 현상이 낮은 자기장 영역에서 도핑된 샘플에서도 지속되는 것을 관찰했으며, 이는 넓은 온도 범위에 걸쳐 1차 상전이의 징후가 남아 있음을 나타냈습니다. 즉, 높은 자기장 하에서는 이 현상이 진화한다는 것을 의미합니다.

가장 중요한 발견은 외부 자기장에 대한 물질의 반응이었습니다. 순수 결정의 경우, 자기장을 가하더라도 전이의 근본적인 성질은 변하지 않았으며 자기장의 세기와 관계없이 날카로운 1차 사건으로 남았습니다. 하지만 코발트가 도핑된 결정에서는 자기장이 하나의 '스위치' 역할을 했습니다. 낮은 자기장 강도에서는 여전히 날카로운 도약처럼 행동했습니다. 그러나 연구진이 자기장을 높이자 전이가 매끄러워지기 시작했습니다. 특정 임계값 이상에서는 날카로운 도약이 완전히 사라지는 대신, 물질이 두 가지 거동을 혼합하여 보이는 '교차(crossover)' 현상을 보이며 결국 연속적인 '2차 전이(second-order transition)'로 진화했습니다. 이는 자기장의 세기를 조절함으로써 물질의 자기적 거동 유형을 조절할 수 있음을 의미합니다.

이 교차 현상을 확인하기 위해 연구팀은 다양한 온도와 자기장 강도에 따른 자기 엔트로피의 변화를 분석했습니다. 그들은 순수 결정의 경우 데이터를 스케일링했을 때 데이터 포인트들이 넓게 흩어져 있었는데, 이는 날카로운 1차 전이의 특징입니다. 반면, 코발트가 도핑된 결정은 자기장이 충분히 강할 때 데이터 포인트들이 하나의 보편적인 곡선으로 놀랍게 수렴(collapse)하는 것을 보여주었습니다. 이 수렴은 매끄러운 2차 전이의 특징입니다. 다만 낮은 자기장에서는 1차 전이와 2차 전이의 특성이 공존함을 나타내는 데이터가 관찰되었습니다. 연구진은 이러한 발견을 새로운 상도표(phase diagram)로 정리하였으며, 이 도표는 물질이 날카로운 1차 전이에서 매끄러운 2차 전이로 전환되는 경계를 명확히 보여줍니다. 이러한 자기장 유도 교차 현상은 자기장의 세기를 조절함으로써 상전이의 차수를 제어할 수 있음을 시사합니다.

이 연구의 함의는 단순히 하나의 결정을 이해하는 것에 그치지 않습니다. 이는 자기 상전이의 차수가 고정된 속성이 아니라 화학적 도핑과 외부 장을 통해 조작될 수 있음을 입증합니다. 이는 자기 냉각 분야에서 매우 중요한 통찰입니다. 매끄러운 2차 전이를 겪는 물질은 급격한 도약과 관련된 에너지 손실 없이 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있기 때문에 냉각 응용 분야에서 선호됩니다. 본 연구는 Mn3Sn에 소량의 코발트를 도입함으로써 적절한 조건 하에서 바람직한 매끄러운 전이를 나타내도록 물질을 설계할 수 있음을 보여주었습니다. 연구진은 이러한 결정을 성공적으로 성장시키고, 그 특성을 정밀하게 측정하였으며, 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 상세한 지도를 구축함으로써 자기 물질에 대한 향후 탐구를 위한 명확한 경로를 제시했습니다.