Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

고체 물질의 세계에서 전자들은 보통 번잡한 거리를 지나가는 사람들의 무리처럼 행동합니다. 때때로 전자들은 가벼운 미풍처럼 자유롭고 빠르게 움직입니다. 또 다른 때는 이웃들과의 상호작용으로 인해 갇히거나 속도가 느려져, 무겁고 느릿느릿해지기도 합니다. 과학자들은 내부의 강력한 힘에 의해 전자의 무게가 실려 무거워지는 현상을 일으키는 물질을 만드는 방법을 오랫동안 알고 있었습니다. 또한 그들은 전자들이 진공 속의 입자처럼 속도감 있고 가볍게 결정 구조를 가로질러 질주하며, 마치 질량이 전혀 없는 것처럼 행동하는 물질들도 발견해 왔습니다. 이 두 가지 행동, 즉 무거워지는 것과 질량이 없어지는 것은 보통 서로 다른 계열의 물질들에 속합니다. 물리학자들의 과제는 이 두 가지 상반된 힘이 하나의 고체 객체 안에서 어떻게 상호작용하는지 연구할 수 있도록, 두 가지 행동이 동시에 존재하는 단일 물질을 찾는 것이었습니다.

이제 한 연구팀이 그러한 물질을 찾아냈습니다. 이터븀(ytterbium), 코발트(cobalt), 게르마늄(germanium), 주석(tin)을 포함하는 특정 화합물의 결정을 성장시킴으로써, 연구진은 전자가 무거우면서도 동시에 질량이 없을 수 있는 금속을 발견했습니다. 카고메 금속(kagome metal)의 변형인 이 물질은 두 종류의 서로 다른 전자 흐름이 하나의 구별 불가능한 흐름으로 합쳐지지 않고 나란히 흐르는 독특한 실험실 역할을 합니다. 연구진은 일부 전자들이 자기적 상호작용으로 인해 무거워지는 반면, 다른 전자들은 가볍고 질량이 없는 상태를 유지하며, 물리적으로 다른 규칙을 따르는 듯한 방식으로 자기장에 반응한다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 물질 내에서 전기가 어떻게 이동하는지를 제어하는 새로운 방법을 제시하며, 잠재적으로 화학적 조성을 변경하거나 외부적인 조율을 가하지 않고도 무거운 행동과 가벼운 행동 사이를 전환할 수 있게 해줍니다.

이야기는 결정 자체로부터 시작됩니다. 연구진은 Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$라고 불리는 물질의 가늘고 육각형 모양인 바늘 형태 결정을 키웠습니다. 이 바늘 내부의 코발트 원자들은 전통적인 일본의 엮은 바구니 패턴인 카고메 격자(kagome lattice)라고 알려진 특정한 기하학적 패턴을 형성합니다. 이 배열은 특이한 전자 상태를 만들어내는 것으로 유명합니다. 이 코발트 네트워크 사이사이에는 희토류 원소인 이터븀 원자들이 배치되어 있습니다. 결정 내 이터븀의 양은 정밀하게 조정되었으며, 가장 우수한 샘플은 사용 가능한 자리의 19%에서 48% 사이가 채워진 상태였습니다. 연구진은 용융된 주석 욕조를 사용하여 이 결정을 키웠는데, 이 방법은 원자들의 무질서와 특정 배치를 높은 정밀도로 제어할 수 있게 해주었습니다.

연구진이 이 결정들을 매우 낮은 온도로 냉각했을 때, 전자들은 무거워지는 징후를 보이기 시작했습니다. 온도가 약 25 켈빈(Kelvin) 아래로 떨어지면서 물질의 전기 저항이 상승하기 시작했는데, 이는 전자들이 이터븀 원자의 자기 모멘트와 강하게 상호작용하고 있다는 전형적인 신호입니다. 이것은 '콘도 효과(Kondo effect)'로 알려져 있으며, 여기서 전자들은 이동할 때 마치 무거운 자기적 영향의 구름을 끌고 다니는 것처럼 행동합니다. 온도가 더 낮아짐에 따라 저항은 정점에 도달한 후 급격히 떨어지기 시작했습니다. 이 저항의 감소는 무거운 전자들이 결맞음 상태(coherent state)를 형성하여 전체 결정 격자 전체를 따라 일제히 움직이기 시작했음을 나타냈습니다. 연구진은 물질의 열용량을 측정하였고, 전자들이 실제로 매우 무거우며, 이 물질을 헤비 페르미온(heavy-fermion) 금속 범주에 확고히 위치시키는 질량 증가를 보인다는 것을 확인했습니다.

하지만 이야기는 무거운 전자에서 끝나지 않았습니다. 연구진이 결정 바늘의 길이를 따라 전류의 흐름과 평행하게 강한 자기장을 가했을 때, 예상치 못한 일이 일어났습니다. 일반적인 헤비 페르미온 금속에서는 자기장이 강해짐에 따라 전기 저항이 결국 변화를 멈추고 포화 지점에 도달하게 됩니다. 그러나 이 물질에서는 자기장이 무려 32 테슬라(Tesla)에 도달할 때까지 저항이 계속 감소하며 더욱 음(-)의 방향으로 커졌습니다. 이러한 거동은 무거운 전자를 위한 표준 모델에는 부합하지 않았습니다. 대신, 이는 '바일 페르미온(Weyl fermions)'이라 불리는 질량이 없는 입자와 관련된 특징과 일치했습니다. 이러한 시스템에서는 전기장과 자기장이 정렬될 때, '카이랄 이상(chiral anomaly)'이라고 불리는 양자 효과를 통해 전자들이 저항을 덜 받으며 흐르게 되어, 자기장의 제곱에 비례하여 증가하는 음의 자기 저항을 만들어냅니다.

두 가지 행동이 어떻게 동일한 결정 내에서 공존할 수 있는지 이해하기 위해, 연구진은 각도 분해 광전자 분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy)을 사용하여 전자 구조를 조사했습니다. 이 기술을 통해 연구진은 물질 내부 전자들의 에너지 준위를 지도화할 수 있었습니다. 그들은 두 가지 뚜렷한 유형의 전자 밴드를 발견했습니다. 하나는 평탄한(flat) 밴드로, 이 상태의 전자들은 쉽게 움직이지 않으며 헤비 페르미온 행동의 원인이 됩니다. 다른 하나는 분산형(dispersive) 밴드로, 이 전자들은 자유롭고 빠르게 움직이며 위상 수학적 물질과 관련된 질량 없는 입자처럼 행동합니다. 이론적 계산은 평탄한 밴드가 이터븀 원자로부터 기인한 것이며, 분산형 밴드는 코발트 카고메 네트워크에서 유래했다는 것을 확인해주었습니다.

핵심적인 발견은 이 두 그룹의 전자들이 같은 결정 속에 살고 있음에도 불구하고, 대체로 자신들의 차선을 지켰다는 점입니다. 이터븀 원자에 의해 구동되는 무거운 전자들은 콘도 효과의 규칙을 따랐으며, 단일 자기 이온과 일치하는 방식으로 그 행동의 척도를 나타냈습니다. 한편, 코발트 네트워크를 통해 흐르는 질량 없는 전자들은 카이랄 이상을 통해 자기장에 반응했습니다. 연구진은 무거운 전자가 질량 없는 행동의 원천이 될 수 있는지 테스트했지만, 데이터는 이를 부정했습니다. 무거운 전자들은 더 낮은 자기장에서 반응이 포화된 반면, 질량 없는 신호는 계속해서 성장했기 때문입니다. 또한 연구진은 결정의 무질서나 단순한 산란 효과와 같은 다른 흔한 설명들도 검토했으나, 이들은 저항이 자기장에 따라 변화하는 특정한 방식을 설명할 수 없었습니다.

이러한 행동의 분리는 강한 상관관계와 위상 수학적 성질이 어떻게 공존할 수 있는지에 대한 새로운 그림을 제시합니다. 이전의 일부 이론들에서는 헤비 페르온 효과가 질량 없는 상태를 만들어내거나, 저온에서 이를 억제할 것이라고 생각되었습니다. 그러나 여기에서 두 효과는 서로 독립적인 것으로 보이며, 전자 구조의 서로 다른 부분에서 기인합니다. 이터븀 원자는 무겁고 상관관계가 있는 전자를 제공하고, 코발트 격자는 위상 수학적이고 질량이 없는 전자를 제공합니다. 이 두 종류의 전자는 서로 구별되기 때문에, 동일한 벌크 물질 내에서도 각각 따로 관찰되고 측정될 수 있습니다. 이는 과학자들이 한 가지 행동이나 다른 행동에 접근하기 위해 물질의 화학적 조성을 튜닝하거나 페르미 준위를 변경할 필요가 없음을 의미합니다. 두 가지 특성이 모두 자연스럽게 존재하며 활성화되어 있기 때문입니다.

이 발견의 함의는 단 하나의 물질을 이해하는 것을 넘어섭니다. 이는 강한 상호작용이 존재하는 상황에서도 서로 다른 전자 상태가 고유한 정체성을 유지할 수 있음을 보여줍니다. 이는 상관관계가 있는 응답과 위상 수학적 응답을 단일 소자 내에서 선택적으로 이용할 수 있는 길을 열어줍니다. 이러한 별개의 상태들이 어떻게 공존하는지 이해함으로써, 연구자들은 궁극적으로 무겁거나 가벼운 전도 모드 사이를 전환하거나, 한 종류의 전자를 사용하여 다른 전자를 제어할 수 있는 물질을 설계할 수 있을 것입니다. 이 연구는 카고메 격자가 그러한 물리학을 위한 비옥한 토양임을 확인시켜 주며, 전자의 복잡한 춤이 구성 요소로 해체되어 전자가 동시에 무거우면서도 가벼울 수 있는 세상을 드러내는 플랫폼을 제공합니다.