압력으로 유도된 구조·자성·초전도 전이와 MnBi₈Te₁₃의 새로운 물리학

초록

본 연구는 고압 하에서 MnBi₈Te₁₃의 전기전도, 자기감수성 및 구조 변화를 종합적으로 조사하여, 압력에 따라 강자성(FM) → 반강자성(AFM) → 초전도(SC) 순으로 전이함을 밝혀냈다. 5 GPa 근처에서 G형 AFM으로 변하고, 16.6 GPa 이상에서 최대 Tc ≈ 6.8 K의 전이 온도를 갖는 부피 초전도가 나타난다. 반면 MnBi₆Te₁₀은 40 GPa까지도 초전도가 나타나지 않아, Mn 농도가 초전도 안정성에 핵심적임을 시사한다.

상세 분석

이 논문은 MnBi₈Te₁₃이라는 층상 124계열 화합물을 고압 환경에서 다각적인 실험(전기저항, 자기감수성, 고압 XRD)과 DFT 계산을 결합해 체계적으로 탐구하였다. 첫 번째 주요 결과는 압력에 따라 결정구조가 R‑3m(리보헬) → A2/m(단사) → Im‑3m(입방) 순으로 변한다는 점이다. 구조 전이와 동시에 자성도 급격히 변한다. 1 ~ 4 GPa 구간에서는 기존의 c축 Easy‑axis FM이 점차 억제되며, 4 ~ 8 GPa에서는 전이 온도 T_C가 감소하고 저항 곡선이 평탄해지는 등 스핀‑불규칙 산란이 사라지는 현상이 관찰된다. DFT는 5 GPa 부근에서 G‑type AFM(‘AFMg2’)으로 전이한다는 예측을 제시했으며, 실험적으로는 4 ~ 8 GPa 구간에서 약 6 K에서의 저항 감소와 상향 전이가 나타나, 전형적인 초자성 초밴드갭(superzone gap) 형성을 암시한다. 이는 비정질 A‑type AFM이 아닌 복합적인 비정렬 AFM 구조가 존재함을 시사한다.

압력이 8 ~ 14 GPa에 이르면 리보헬 → 단사 전이와 동반된 전기전도도 급격히 감소한다. 이 구간에서 저항 곡선은 거의 온도에 무감각해지며, 이는 전자 밴드 구조가 재구성되고 전자-포논 결합이 약화됨을 의미한다. 특히 16.6 GPa에서 처음으로 저항이 급격히 떨어지는 현상이 나타나며, 이는 비완전한 초전도 전이의 전조이다. 압력을 19 ~ 27 GPa까지 높이면 저항이 거의 0에 수렴하고, 전이 온도는 최대 6.8 K에 달한다. 동시에 0.2 kOe 이하의 약한 자기장 하에서 약 50 % 수준의 다이아메그네틱 신호가 관측되어, 초전도가 부피적이지만 아직 완전한 전이(전류 전도성 100 %)에 이르지는 못했음을 보여준다.

MnBi₆Te₁₀에 대한 비교 실험에서는 압력 30 GPa까지도 초전도 전이가 전혀 나타나지 않았다. 이는 Mn 원자 농도가 감소함에 따라 Mn‑Mn 거리와 전자 상관 효과가 달라져, MnBi₈Te₁₃에서만 초전도성을 유지할 수 있는 구조적·전자적 조건이 형성된다는 결론을 뒷받침한다. 또한, MnBi₂Te₄·(Bi₂Te₃)ₙ (n < 3) 계열에서도 초전도가 관찰되지 않은 점과 비교하면, ‘n ≥ 3’ 즉 Bi₂Te₃ 층이 충분히 많을 때 구조가 압력에 대해 더 안정적이며, Mn‑Mn 상호작용이 억제돼 초전도 페어링이 가능해진다.

이 연구는 압력에 의한 구조·자성·초전도 삼중 전이를 최초로 전시함으로써, 강자성 토폴로지 절연체에서 초전도체로의 전이를 제어할 수 있는 새로운 플랫폼을 제공한다. 특히, Mn 기반 물질에서 드물게 관찰되는 초전도 현상을 고압이라는 물리적 파라미터로 유도함으로써, 강자성 토폴로지 표면 상태와 초전도 파동함수의 상호작용, 그리고 가능성 있는 마요라나-다이아몬드(Majorana) 모드 탐색에 대한 실험적 기반을 마련한다. 향후 고압 중성자 회절·μSR 등 정밀 자기구조 측정과, 압력 하에서의 ARPES·STM 연구가 진행된다면, 초전도와 반강자성의 공존 여부와 그 메커니즘을 명확히 밝힐 수 있을 것이다.