코오에서 관측된 초대형 궤도자기저항: 동적 궤도각운동량 상호작용의 혁신

초록

본 연구는 산화 구리(Cu*)가 생성하는 궤도 전류와 궤도 각운동량이 비소멸된 안티퍼로마그넷 CoO 사이의 직접적인 궤도‑궤도 교환 상호작용을 입증한다. CoO/Cu* 구조에서 관측된 궤도 홀 자기저항(OMR)은 기존 CoO/Pt에서의 스핀 홀 자기저항(SMR)보다 30배 이상 크게 나타났으며, 부호가 반전되는 특성을 보인다. 온도와 두께 의존성 실험을 통해 이 현상이 순수한 궤도 전류에 기인함을 확인하고, 궤도 각운동량이 강하게 보존된 물질에서만 이러한 효과가 나타남을 증명하였다.

상세 분석

이 논문은 전하 전류로부터 직접 궤도 전류를 생성할 수 있는 산화 구리(Cu*)와, 정적인 궤도 각운동량이 비소멸된 안티퍼로마그넷 CoO 사이의 상호작용을 정량적으로 규명한다. 기존의 스핀 전류 기반 스핀 홀 효과(SHE)와 스핀 홀 자기저항(SMR)은 강한 스핀‑궤도(s‑d) 교환을 통해 자기화와 결합한다. 그러나 전통적인 3d 전이금속 페로마그넷에서는 궤도 각운동량이 결정장에 의해 거의 소멸돼(≈0.1 μB) 궤도 전류와의 결합 효율이 극히 낮다. CoO는 Co²⁺ 이온의 궤도 각운동량이 ≈2.05 μB로 크게 남아 있어, 궤도‑궤도 교환 상호작용이 가능함을 이론적으로 제시한다(Ref. 30). 실험적으로는 5 nm CoO 위에 2 nm Pt 혹은 6 nm Cu*를 증착하고, MgO(001) 기판 위에 에피택셜 성장시켜 Hall bar 구조를 만든 뒤 전류를 흐르게 하여 OHE와 OREE에 의해 발생하는 궤도 전류를 유도한다.

CoO/Pt 시료에서는 전통적인 SMR이 0.0078 % 정도 관측되었으며, 이는 Pt의 스핀 홀 각도(θ_SH≈3.5 %)와 스핀 확산 길이(λ_s≈1.5 nm)를 이용한 기존 모델과 일치한다. 반면 CoO/Cu에서는 전류에 의해 생성된 궤도 전류가 CoO의 비소멸 궤도 각운동량과 강하게 결합하여 OMR이 0.28 %까지 상승했으며, 이는 SMR보다 약 36배 큰 값이다. 특히 전류 방향에 대한 전압 변화를 측정한 결과, 스핀 전류와 궤도 전류가 동일한 부호를 갖는 경우가 많은 기존 시스템과 달리, CoO/Cu에서는 부호가 반전되는 현상이 나타났다. 이는 CoO 내부에 존재하는 궤도 사중극자(orbital quadrupole)와 그 동역학이 전통적인 스핀 자화와 근본적으로 다름을 시사한다.

온도 의존성 측정에서는 150 K에서 OMR이 최대(0.28 %)가 되며, 275 K에서는 0.15 %까지 감소한다. CoO/Pt의 SMR은 전반적으로 부호가 반대이며 크기가 0.008 % 수준에 머문다. 온도가 낮아질수록 OMR/SMR 비율이 35배→59배로 증가하는데, 이는 스핀‑포논 산란에 의한 스핀 각운동량의 이완이 SMR에 크게 영향을 미치는 반면, 궤도 각운동량은 포논에 대한 이완이 상대적으로 약함을 의미한다.

또한 Cu* 두께 의존성 실험에서 3.7–5.5 nm 구간에서는 OMR이 거의 일정(≈0.32 %)했으며, 3.2 nm 이하로 얇아지면 약간 감소한다. 이는 OHE가 주된 메커니즘이며, 인터페이스에서의 OREE 기여는 제한적임을 암시한다. 대조 실험으로 α‑Fe₂O₃/Cu*를 제작했을 때 OMR이 거의 검출되지 않았는데, α‑Fe₂O₃는 궤도 각운동량이 거의 소멸된 상태이므로 궤도‑궤도 교환이 일어나지 않음을 확인한다.

이러한 결과는 (1) 궤도 전류가 강한 궤도 각운동량을 가진 절연 안티퍼로마그넷과 직접 결합할 때, 스핀‑스핀 교환보다 동등하거나 그보다 큰 교환 상호작용이 가능함, (2) OHE 기반 궤도 전류는 기존 스핀 전류에 비해 수십 배 큰 MR 효과를 유도할 수 있음, (3) 인터페이스에서의 궤도‑궤도 혼합 전도도와 온도에 따른 각운동량 이완 메커니즘이 OMR의 크기와 부호를 결정함을 보여준다. 이는 스핀‑오빗 전자공학(orbitronics) 분야에서 에너지 효율이 높은 디바이스 설계, THz 급속 동역학을 갖는 안티퍼로마그넷 기반 메모리 및 로직 구현에 새로운 길을 제시한다.