중국과학원 물리연구소 연구팀은 극저온-강자기장-스핀 편극 주사터널링현미경/분광 및 저온-원자력현미경을 이용하여 자성 바일 페르미온(Weyl fermion)계 Co3Sn2S2 중의 단일원자 결함 근처의 여기 상태에 대한 연구를 수행함으로써 최초로 국부적 스핀 궤도 폴라론을 발견했다. 해당 성과는 "Localized spin-orbit polaron in magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2"라는 제목으로 "Nature Communications"에 게재되었다.
자성 양자 재료의 결함 공학 및 국부 양자 상태 스핀의 조절은 응집물질물리학 연구의 초점으로 미래 실용화 스핀 양자 소재의 구축에 응용될 전망이다. 해당 재료의 자성 및 토폴로지 특성을 연구하는 효과적인 방법은 원자 척도에서 공간 국부 여기 상태를 탐색하는 것이지만 기존에는 보고된 적이 없다.
연구팀은 우선 비접촉 원자력현미경 영상과 일함수 측정을 이용하여 벽개(cleavage)에 의해 생성된 두 표면 중의 S원자 말단면(END SRFS)을 확정했다. 스핀 편극 실험 결과, 비자성 S 표면에서 단일원자 S 공석 주위를 둘러싸고 공간 국부적 자성 폴라론(polaron)이 형성되었다. 이러한 폴라론은 삼중 회전 대칭성 공간 분포의 속박 상태 여기 형태로 나타났다. 또한, 샘플 표면에 수직인 방향으로 ±6T에 달하는 외부 자기장을 가하는 실험에서 자기장 방향이 상향이든 하향이든 상관없이 국부 자기 폴라론의 결합은 모두 자기장 강도의 증가에 따라 선형 증가한 것으로 나타났다. 이는 궤도 자기화 작용이 국부적 자기 모멘트(~1.35μB)에 주도적 작용을 함을 설명한다.
연구팀은 궤도 자기 모멘트의 주도적 작용과 S 공석의 뚜렷한 국부적 자기 탄성 효과를 기반으로, 새로운 여기 상태 즉, 국부적 스핀 궤도 폴라론을 발견했다. Co3Sn2S2의 뚜렷한 국부적 궤도 자화는 토폴로지 관련 베일리 곡률 및 토폴로지 자석 자기전기 효과의 순환 전류와 관련이 있다. 비자성 원자 층의 SOP는 시스템의 국부적 자기 특성을 크게 향상시키는 동시에 시간 역전 대칭성 깨짐으로 인한 기이 토폴로지 물성도 향상시킨다.
"스핀 궤도 폴라론"은 비자성 관련 토폴로지 재료에 고유 자기 모멘트를 도입하여 "희유 자기 토폴로지 반금속"이라는 새로운 물질 형태를 형성할 것으로 예상된다. 해당 연구는 또한 신형 양자 토폴로지 재료에서 "결함 양자 공학"을 달성할 수 있음을 예시한다. 즉, 재료 제조 매개변수와 원자 조작 기술 등을 변경하여 결함 구조의 크기, 농도 및 공간 배치 등을 정밀하게 제어함으로써 결함이 질서정연하게 배열되는 등 원자급 제어가능 구조를 형성할 수 있다. 따라서 자성 양자 재료의 자성과 토폴로지 성질의 정밀 제어를 달성하고 최종적으로 양자 소자에서 기능 양자 토폴로지 상태의 원자급 방향성 구축과 질서정연한 짜임을 달성할 수 있다.
해당 연구 성과는 자성 바일 페르미온계에서 자기 질서와 토폴로지 성질 제어를 위한 새로운 방향을 제시하고 차세대 복합 기능 양자소자 개발을 위한 기반을 마련한다.

정보출처 : http://www.most.gov.cn/gnwkjdt/202011/t20201125_159761.htm