단층형 vdW 강자성체 NbFeTe2의 위상 및 평면 홀 효과

초록

본 연구에서는 단층형 단결정 NbFeTe₂의 전기·자기 특성을 체계적으로 조사하였다. 80 K 이하에서 퍼페추얼 강자성(FM) 전이를 보이며, 외부 자기장이 전류와 평행할 때 음의 종방향 자기저항(LMR)과 전류와 수직일 때의 전이방향 자기저항(TMR)이 관찰된다. 특히 45 K까지 지속되는 위상 홀 효과(THE)와 Curie 온도(T_C) 이상에서도 뚜렷하게 나타나는 평면 홀 효과(PHE)를 최초로 보고하였다. 이러한 현상은 비평면적인 전자 밴드 구조와 강자성체의 비정상적인 스핀 텍스처가 존재함을 시사한다.

상세 분석

NbFeTe₂는 P2₁/c( No. 14) 공간군을 갖는 단사정 구조로, Nb 원자가 왜곡된 육각 격자를 이루고 Fe–Fe 이중결합이 중심에 배치되는 층상 구조를 가진다. XRD와 HR‑TEM 분석을 통해 고품질 단결정임이 확인되었으며, EDX 결과는 화학식 Nb₀.₉₈Fe₁.₀₀Te₂.₀₂와 일치한다. 자기 측정에서 H‖a(축 방향)와 H‖bc(면 방향) 모두에 대해 78 K 전후에 급격한 M(T) 상승이 나타나며, a축이 자화의 쉬운 축(easy axis)임을 확인한다. AC 자화의 χ′와 χ″는 주파수 의존성이 없으며, 76 K 부근에 뚜렷한 피크를 보인다. 이는 전통적인 강자성 전이와 일치한다. 저온에서 χ″와 M_ZFC가 40 K 이하에서 급격히 감소하는 현상은 스핀 글라스와 같은 저온 복합 스핀 상태가 공존할 가능성을 제시한다.

전기 전도도는 금속성을 보이며, ρ_yy(T) 곡선은 23 K 이하와 23–80 K 구간에서 각각 ρ = ρ₀ + AT + BT² 형태로 잘 맞는다. 여기서 선형항(A T)은 전자‑포논 상호작용, 2차항(B T²)은 전자‑마그논 혹은 전자‑전자 산란을 의미한다. 3 T 자기장 하에서 선형항이 강화되는 점은 전자‑마그논 산란이 우세함을 시사한다.

자기저항(MR) 측정에서 LMR이 전반적으로 음의 값을 유지하며, 5–120 K 구간에서 최대 약 –6 %까지 감소한다. 특히 저온(≤30 K)에서는 LMR이 TMR보다 절대값이 크게 나타나, 순수한 강자성 기여 외에 추가적인 메커니즘, 예를 들어 Weyl 노드에 의한 카이랄 이상(chiral anomaly)이나 비평면 밴드 구조에 의한 전하 펌핑이 작용할 가능성을 제기한다.

홀 효과 분석에서는 전압을 전류와 수직인 방향(ρ_yz)에서 측정했을 때, 전통적인 이상 홀 효과(AHE) 외에 비정상적인 비선형 성분이 관찰된다. 특히 45 K까지 지속되는 위상 홀 효과(THE) 신호는 스키머(스키드)와 같은 비공간적 스핀 텍스처가 존재함을 강하게 암시한다. THE는 전자 밴드 구조의 비제로 베리 곡률(Berry curvature)와 스핀 구조의 비공간성(non‑coplanarity)에서 유래한다는 점에서, NbFeTe₂가 토폴로지적으로 비 trivial한 전자 상태를 갖는 강자성 금속임을 뒷받침한다.

평면 홀 효과(PHE)는 전류와 자기장이 같은 평면에 있을 때 전압이 전류와 수직이 아닌 면 내에서 발생하는 현상이다. NbFeTe₂에서는 PHE가 T_C를 초과하는 100 K 이상에서도 뚜렷하게 관측되었으며, 이는 전자 스핀-궤도 결합(SOC)과 비등방성 전도도가 강하게 작용함을 의미한다. PHE의 존재는 또한 전자 밴드가 2차원적인 Dirac/Weyl 특성을 가질 가능성을 시사한다.

결론적으로, NbFeTe₂는 (i) 퍼페추얼 강자성, (ii) 뚜렷한 자기 이방성, (iii) 위상 홀 효과와 평면 홀 효과의 동시 존재라는 세 가지 핵심 특성을 동시에 갖는다. 이러한 특성은 저전력 스핀트로닉스, 메모리 소자, 그리고 토폴로지적 스핀텍스처 기반 디바이스에 매우 유리한 물질 플랫폼으로서의 잠재력을 제공한다. 향후 얇은 층(단층 또는 이층)으로의 박리와 외부 전기·압력 조절을 통해 스키머 상을 정밀하게 제어할 수 있다면, 실용적인 토폴로지 스핀트로닉스 소자 구현에 큰 진전을 기대할 수 있다.