다섯 개의 결정이 밝힌 열이 자기장에서 휘는 이유

결정 자체가 열 배 차이를 만든다

같은 절연체로 만든 결정 다섯 개는 길이 방향으로 열을 똑같이 잘 전달했지만, 자기장에 대한 가로 방향 반응은 약 열 배 차이가 났다. 이 대비가 2005년부터 이어진 물리학의 수수께끼, 즉 전기적으로 중성인 진동이 전달하는 열이 자기장에서 왜 옆으로 휘는지를 이해할 단서를 제시하는 층상 자성 결정 NiPS3 연구의 핵심 결과다.

이번 공동 연구에는 우한에 있는 화중과학기술대 국가 펄스 고자기장 과학센터와 프랑스 ESPCI 파리의 연구진이 참여했다. 측정 결과, 열이 운반체 사이를 이동하는 거리가 아니라 결정의 자기적 특성이 가로 방향 열 반응과 관련이 있는 것으로 나타났다.

연구진은 이 연관성이 고유 메커니즘의 증거라고 해석한다. 고유 메커니즘은 물질 자체의 자기적·진동적 거동이 결합해 나타나는 현상을 뜻한다. 이번 결과는 불순물이나 다른 산란 중심이 가로 방향 반응을 일으킨다는 설명과 이 가설을 구분하는 실험적 검증 방법을 제시한다.

NiPS3 연구 논문의 두 번째 arXiv 버전은 2024년 10월 1일자로 등록돼 있으며, 25켈빈과 14테슬라에서 가로 방향 열전도도가 최대 약 -1.63와트/미터/켈빈에 이른다고 기록했다. 이 온도는 섭씨 약 영하 248도다. 음수 부호는 실험의 측정 기준에 따른 가로 방향 반응의 방향을 나타낸다.

이 연구는 베이징 시간으로 2026년 10월 23일, 현지 시간으로는 10월 22일에 Science 게재와 관련해 발표됐으며 표지 논문으로 소개됐다. 상세한 실험 논거는 이미 2024년 원고에 담겨 있었다.

전하가 없는데 열은 어떻게 방향을 바꿀까?

일반적인 전기 홀 효과는 자기장이 움직이는 전하를 옆으로 밀어내면서 발생한다. 전하가 도체의 한쪽에 쌓여 원래 전류 방향과 수직인 전압이 생긴다.

NiPS3는 전기 절연체다. 이 물질에서 열은 주로 원자가 규칙적으로 배열된 결정 격자의 진동을 통해 이동한다. 물리학자들은 이 진동의 묶음을 포논이라고 부른다. 빛의 묶음을 광자라고 부르는 것과 비슷하다.

포논은 에너지를 전달하지만 순전하는 전달하지 않는다. 따라서 전자의 운동을 휘게 하는 통상적인 자기력을 받지 않는다. 하지만 열이 절연 결정 안에서 흐르고 그 흐름에 수직으로 자기장을 가하면 결정 양쪽에 온도 차가 생길 수 있다. 과학자들은 이를 포논 열 홀 효과라고 부른다.

최초의 실험적 증거는 2005년에 나왔다. 이후 핵심 논쟁은 그 메커니즘을 둘러싸고 이어졌다. 가로 방향 반응이 결정의 집단적 거동에서 비롯되는지, 아니면 포논이 불순물·결함이나 다른 교란 요인과 만날 때 발생하는 비대칭 산란 때문인지가 쟁점이었다. 두 설명 모두 측정된 신호를 설명하는 물리적 가설이지만, 원인을 서로 다른 과정에서 찾는다.

강한 자기장으로 측정한 것

NiPS3는 니켈, 인, 황으로 이뤄져 있다. 니켈 원자는 벌집 모양의 층을 이루며, 155켈빈, 즉 섭씨 약 영하 118도 이하에서 자기 모멘트가 지그재그 반강자성 배열을 형성한다. 반강자성이란 자기 모멘트가 한 방향으로 모두 정렬되는 대신 서로 반대되는 패턴으로 배열되는 상태다.

연구팀은 화학 기상 수송법으로 단결정을 성장시켰다. 히터 하나와 열전대 세 개를 사용해 결정의 길이 방향과 가로 방향 열 흐름을 동시에 측정했다. 이를 통해 주된 열 흐름과 그보다 작은 가로 방향 온도 반응을 비교할 수 있었다.

자화 측정은 4.2켈빈에서 펄스 자기장을 이용해 최대 55테슬라까지 진행했다. 이 범위에서는 자기적 상전이가 나타나지 않았다. 원고에 기술된 열 홀 측정은 최대 14테슬라까지 이뤄졌으며, 이때 가로 방향 반응은 인가한 자기장에 비례해 변했다.

주 열전도도는 미터·켈빈당 274와트에서 최대치를 기록했다. 온도에 따른 변화는 자기장이 없을 때와 14테슬라일 때 거의 같았고, 가로 방향 열전도도와 같은 온도에서 정점에 이르렀다. 연구진은 포논이 주요 열 운반체이며, 자기 여기의 주 열 흐름 기여도는 작다고 판단했다.

결정 다섯 개를 비교한 이유

NiPS3 결정 다섯 개는 일반적인 열 수송 특성이 사실상 변하지 않아 유용한 비교 대상이었다. 길이 방향 열전도도 곡선은 서로 겹쳤고, 열용량도 비슷했다.

따라서 포논 평균 자유 행로, 즉 진동이 산란되기 전까지 이동하는 평균 거리도 시료마다 거의 같았다. 이를 비유하면 교통이 방해받기 전까지 같은 거리를 이동할 수 있는 도로 다섯 개와 같다.

가로 방향 반응은 전혀 다른 양상을 보였다. 앞으로 열을 전달하는 능력은 비슷했지만, 한 결정의 최대 반응은 다른 결정의 약 열 배였다. 이를 통해 연구팀은 일반적인 열 수송을 거의 일정하게 유지한 채 자기적 거동을 비교할 수 있었다.

여러 산란 메커니즘은 포논 평균 자유 행로가 길수록 가로 방향 반응도 커진다고 예측한다. 논문에서 다룬 한 모델은 길이 방향 열전도도가 그 거리에 비례하고, 횡방향 열전도도는 거리의 제곱에 비례한다고 본다. 그러나 NiPS3 실험에서는 평균 자유 행로가 사실상 고정돼 있는 동안 횡방향 열전도도가 크게 달라졌다.

NiPS3의 열 수송을 조사한 연구진은 논문 초록에서 다음과 같이 결론을 밝혔다.

열역학적 특성과의 관련성, 그리고 평균 자유 행로와의 무관성은 고유한 기원을 가리킨다.

신호를 따라간 자기 방향

가로 방향 열전도도는 결정의 자기 이방성을 따랐다. 자기 이방성이란 자기 반응이 방향에 따라 달라지는 성질이다. a축으로 자화했을 때는 시료 다섯 개의 값이 거의 같았다. 반면 b축 방향에서는 이방성이 가장 큰 시료와 가장 작은 시료 사이에 약 30% 차이가 났다.

결정 쌍정이 이러한 차이를 설명하는 데 도움이 된다. 쌍정을 가진 결정에는 격자가 서로 다른 방향으로 회전한 영역들이 들어 있다. 이 물질에서는 이 영역들이 공통 축을 공유하면서 서로 120도 회전할 수 있다. 영역의 혼합 비율이 달라지면 특정 방향에서 측정한 자기 반응도 달라진다.

한 가지 결정 방향이 우세한 상태에 가장 가까운 시료에서 열 홀 반응이 가장 컸다. 세 가지 가능한 방향이 거의 같은 비율로 분포한 시료에서는 반응이 가장 작았다. 앞으로의 열 수송은 같아도 자기 배열과 결정 배열은 중요하게 작용했다.

토크 측정으로도 이를 확인했다. 자기장 방향을 회전시킬 때 자기 자유에너지가 어떻게 변하는지 추적한 것이다. 자유에너지는 주어진 조건에서 계가 이용할 수 있는 에너지를 뜻한다. 여기서는 방향에 따른 자유에너지 변화가 결정이 특정 자기 방향을 얼마나 선호하는지를 나타낸다. 이 평형 특성은 가로 방향 열 신호와 함께 변해 연구의 열역학적 논거를 뒷받침했다.

진동이 자기 반응을 빌리는 방식

제안된 미시적 설명에는 자기 모멘트 배열에서 생기는 집단 파동인 마그논이 관여한다. 포논은 원자의 진동을, 마그논은 자기적 움직임을 나타낸다. 두 운동이 결합하면 서로 영향을 줄 수 있다.

연구진은 계산한 포논 스펙트럼을 중성자 산란 측정으로 얻은 마그논 스펙트럼과 비교했다. 이 스펙트럼은 결정 안을 이동하는 파동이 가질 수 있는 에너지를 보여준다. 여러 포논·마그논 분지들이 교차하며, 확인된 가장 낮은 교차점은 약 3.7밀리전자볼트다.

이러한 교차점에서 결합이 일어나면 진동 운동과 자기 운동을 모두 포함하는 혼합 모드 두 개가 생길 수 있다. 자기 성분은 결합된 들뜸이 자기장에 반응할 경로를 제공하고, 진동 성분은 열을 운반한다.

이 교차점들은 결정의 b축에 해당하는 역격자 공간 방향에서 나타나며, 제안된 메커니즘을 자화 측정에서 중요했던 방향과 연결한다. 연구진은 열 홀 반응의 온도 의존성에서도 약 1밀리전자볼트의 에너지 척도를 추출했다. 이들은 이러한 연관성을 마그논과 포논의 혼성화를 뒷받침하는 근거로 제시했으며, 구체적인 미시 메커니즘은 추가 검증이 필요하다고 밝혔다.

앞선 단서는 흑린에서 나왔다

관련 연구 결과가 2023년 2월 23일 Nature Communications에 발표됐다. 자성 질서가 없는 원소 물질을 살핀 흑린 연구는 포논 열 홀 효과를 더 단순한 조건에서 조사할 수 있게 했다.

NiPS3에서처럼 흑린의 길이 방향·횡방향 열전도도도 거의 같은 온도에서 최대치를 기록했다. 12테슬라에서 측정한 두 가지 구성의 열 홀 각도는 각각 약 0.005와 0.0012, 즉 0.5%와 0.12%였다. 열 홀 각도는 주된 온도 구배에 대한 가로 방향 온도 구배의 비율을 나타낸다.

해당 논문에서 비교한 절연체들에서는 홀 반응으로 계산한 특성 길이가 약 2~7옹스트롬으로 유지됐다. 이는 원자 사이 거리와 비슷한 규모다. 한편 포논 평균 자유 행로는 3자릿수 넘게, 즉 1,000배 이상 달라졌다.

흑린 연구진은 음향 진동 분지와 결합 주변의 불균등한 전하 분포 사이의 결합이 자기 반응을 일으킬 수 있다고 제안했다. 산란에 따른 설명도 가능한 가설로 남겨뒀다. NiPS3 연구는 정방향 수송은 거의 같지만 자기 반응과 횡방향 반응이 크게 다른 시료 다섯 개를 이용해 또 다른 실험적 접근법을 더했다.

다른 결정을 가열해 무질서와 원인을 구분하다

2026년 3월 24일 npj Quantum Materials에 발표된 후속 연구는 서로 다른 공급처에서 얻은 티탄산스트론튬 결정 네 개를 조사했다. 무질서와 어닐링 연구에는 NiPS3 연구에도 참여한 샤오캉 리, 카므란 베니아, 쩡웨이 주가 공동 저자로 참여했다.

품질이 더 좋은 티탄산스트론튬 시료는 9테슬라에서 열 홀 각도가 최대 0.3%와 0.15%에 이르렀다. 무질서가 더 큰 결정에서는 신호가 거의 나타나지 않았다. 무질서한 결정을 섭씨 1,000도의 공기 중에서 가열하자 반응이 부분적으로 회복돼 9테슬라에서 약 0.1%에 이르렀지만, 길이 방향 열전도도는 거의 달라지지 않았다.

어닐링은 제어된 가열과 냉각을 통해 내부 변형을 더 균일하게 만들 수 있다. 연구진은 무질서와 불균일한 변형이 고유 반응을 억제하는 요인이라고 지목했다. 이 결과는 결함이 홀 효과의 원인으로 제시되지 않더라도 그 존재가 큰 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

연구팀은 같은 시료에 금속 은 페이스트 접점과 절연 그리스 접점을 사용해 비교했으며, 측정값은 구별할 수 없을 정도로 같았다. 10테슬라에서 0.02% 미만의 각도처럼 매우 작은 신호를 측정하는 실험에서는 접점의 영향을 추가로 확인할 것을 권고했다.

2005년부터 2026년까지 이어진 연구

NiPS3 공동 연구는 우한과 파리의 연구진이 이끌었다. 국가 펄스 고자기장 과학센터 소장 량 리는 쩡웨이 주, ESPCI 파리의 물리학자 카므란 베니아와 함께 연구했다. 박사과정생 칭카이 멍과 부연구원 샤오캉 리는 공동 제1저자였다.

날짜별 주요 이정표를 보면 실험 논거가 발전해 온 과정을 알 수 있다.

• 2005년: 연구진이 절연 결정에서 포논 홀 효과의 첫 실험적 증거를 발표했다.
• 2023년 2월 23일: 흑린 연구에서 이 효과를 음향 진동과 연관 짓고 포논 평균 자유 행로와 상관관계가 없음을 확인했다.
• 2024년 10월 1일: NiPS3 원고의 두 번째 버전이 arXiv에 공개됐다.
• 2026년 3월 24일: 티탄산스트론튬 연구에서 무질서, 어닐링, 접점 재료의 영향을 기록했다.
• 2026년 10월 23일, 베이징 시간: NiPS3 연구가 Science 온라인 게재와 관련해 발표됐다.

이 실험들은 가로 방향 열 수송을 조절하는 요인으로 자기 방향, 결합된 진동, 내부 변형에 주목하게 한다. 이 효과를 재현하려는 실험실에서는 결정이 열을 앞으로 얼마나 잘 전달하는지 측정하는 것만으로 충분하지 않다. 자기 배열과 구조도 면밀히 살펴봐야 한다.

핵심 요점

• NiPS3 결정 다섯 개는 길이 방향 열 수송이 사실상 변하지 않았지만, 가로 방향 열전도도는 약 열 배 차이가 났다.
• 홀 반응은 자기 이방성 및 방향에 따른 자기 자유에너지와 함께 변해 고유한 기원을 뒷받침했다.
• 열 홀 전도도는 25켈빈, 14테슬라에서 미터·켈빈당 약 -1.63와트로 최대치를 기록했다.
• 약 3.7밀리전자볼트에서 나타나는 마그논·포논 교차점은 열을 운반하는 진동이 자기장에 반응할 수 있는 경로를 제공할 가능성이 있다.
• 흑린과 티탄산스트론튬 실험도 포논 이동 거리 이외의 특성, 즉 진동 결합과 무질서, 변형이 이 반응과 관련 있음을 보여준다.