자장에서 절연성을 갖는 자석을 금속으로

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-04

~ 금속-절연체 전이를 이용한 차세대 메모리 및 센서에의 응용을 기대 ~ 도쿄대학 물성연구소 연구팀은 희토류와 전이금속의 하이브리드형 자성체인 pyrochlore 구조를 갖는 희토류 산화물 Nd2lr2O7에서 자장에서 여기되는 금속-절연체 전이를 관측하는데 성공하였다. 차세대 과학기술의 근간이 되는 초고밀도 메모리 및 자기 센서 등의 실현을 위해 다양한 신규화합물의 탐색이 진행되고 있다. 작은 자장에서 물질의 저항치를 제어할 수 있는 금속-절연체 전이를 나타내는 화합물은 특히 산업적인 응용성이 높기 때문에 널리 연구가 진행되고 있는 물질군이다. 전기가 흐르지 않는 절연체 상태에서는 물질은 전기전도를 일으키는 전자의 생성을 방해하는 에너지 갭을 가지고 있다. 금속-절연체 전이를 나타내는 화합물에서도 절연체 상태에서는 이 에너지 갭을 가진다. 이 갭이 클수록 저항치가 높은 양질의 절연체 상태를 넓은 온도범위에서 얻을 수 있기 때문에 큰 에너지 갭을 나타내는 화합물의 탐색이 필수이다. 그러나 큰 에너지 갭은 자장 등 외부자극에 강하고, 자장에 의한 제어가 곤란하다고 알려져 있다. 때문에 실용적으로 이용할 수 있는 10테슬러 정도의 외부자장 하에서는 금속-절연체 전이를 자장 제어하는 것은 상당히 어렵다고 생각되었다. 이번에 본 연구팀은 고순도 pyrochlore 화합물 Nd2lr2O7 단결정을 육성하고, 이 화합물에서 전기적 특성을 고자장, 극저온에서 평가하였다. 이 화합물은 약간의 화학적 조성 변화에 의해 그 금속-절연체 전이의 진동이 다르기 때문에 순수하고 품질이 좋은 단결정이 필요한 연구이다. 합성한 Nd2lr2O7은 제로 자장에서는 27K라는 고온영역에 금속-절연체 전이를 나타내고 있으며, 이 전이에서의 에너지 갭은 45meV 정도로 상당히 크다는 것을 알았다. 이것은 지금까지 알려진 단결정 시료로서 최상의 것이라는 것을 나타내고 있다. 이번 실험에서는 전류인가방향에 대해 자장을 추가하는 방향을 변화시키면서 50테슬러까지의 강자장을 추가하여 Nd2lr2O7의 저항치 변화를 측정하였다. 이것에 의해 10테슬러 정도의 외부자장을 결정축 한 방향에 가했을 때 에너지 갭이 억제되어 절연체로부터 금속상태가 됨으로써 약 600배의 큰 저항치 변화를 검출하는데 성공하였다. 통상~10테슬러의 외부자장에서 얻어지는 에너지 이득은 ~1meV 정도이지만, 이 50배 정도의 큰 에너지 갭을 가진 Nd2lr2O7을 작은 자장에서 제어할 수 있게 되었다. 본 연구팀은 이론적인 고찰로부터 이상적으로 자장에 민감한 성질은 Nd2lr2O7에 포함되어 있는 희토류 원소 Nd와 전이금속원소 Ir의 전자상관에서 왔다는 것을 규명하였다. Nd2lr2O7에서는 콘도(近藤) 커플링이라는 Nd와 Ir 사이의 상관에 의해 에너지 갭이 열려져 있지만, 이 콘도 커플링 기구에 의한 에너지 갭은 Nd의 자기적인 구조에 민감하며, Nd의 자기구조를 자장에 의해 변화시킴으로써 이 금속 절연체 전이를 제어할 수 있다는 것을 알았다. 때문에 Nd2lr2O7은 등축정이면서 자장을 가하는 방향으로 의존하는 금속, 절연체 전이가 관측되었다고 생각된다. 희토류 원소와 전이금속원소의 pyrochlore형 자성체를 사용하면, 지금까지 불가능이라고 생각되었던 금속-절연체 전이가 비교적 낮은 자장에서 민감하게 일어나는 것을 나타냄으로써 앞으로 메모리 등의 개발에 새로운 개발지침을 나타내고, 등축정이라는 구조적인 등방적인 물질에서도 자장보고에 민감한 센서의 개발 등에 새로운 지침을 줄 것으로 기대된다. 또한 금속-절연체 전이는 차세대 과학기술의 근간이 되는 메모리기술 등에의 응용을 생각할 수 있을 뿐만 아니라 배후에 있는 다양한 물성물리를 위한 많은 연구가 집중하고 있는 분야이다. 본 연구성과를 기반으로 하여 pyrochlore 화합물에서 추가적인 물성연구가 진행하여 종래 화합물에서는 달성하지 못한 전자상관을 이용한 금속-절연체 전이의 약한 자장응답 연구가 가속적으로 진행될 것으로 기대된다. 그림 1. Nd2Ir2O7 결정 및 자기 구조 그림 2. Nd2Ir2O7 자기 저항 zu1.jpg zu2.jpg http://www.jst.go.jp/pr/announce/20151201/index.html