비자성 산화루테늄, 2나노미터로 살짝 당기자 숨은 '자성' 확인

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Scientists stretched an ultrathin ruthenium dioxide film to just two nanometers and detected hidden magnetic order, helping resolve a long-running debate over whether the material is magnetic at all.

과학자들이 산화루테늄(RuO₂) 초박막을 단 2나노미터로 늘려 그 안에 숨어 있던 자기 질서를 검출했으며, 이는 이 물질이 자성을 지니는지를 둘러싼 오랜 논쟁을 해소하는 데 도움이 될 것으로 보입니다.

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사진출처) ChatGPT로 만든 AI 이미지

 

오랫동안 비자성 물질로 여겨졌던 금속 산화물 산화루테늄(RuO₂)이 특정 조건에서는 자성을 띨 수 있다는 사실이 새로운 연구를 통해 확인됐습니다.

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연구진은 산화루테늄의 결정 격자를 인위적으로 늘린 초박막에서 뚜렷한 자기 질서의 흔적을 검출했다고 밝혔습니다.

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이를 위해 연구진은 두께가 단 2나노미터에 불과한 초박막을 이산화티타늄(TiO₂) 기반 기판 위에 성장시키는 방식을 택했습니다.

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기판과 산화루테늄의 원자 간격이 서로 다르기 때문에 얇은 막은 기판에 맞춰 늘어날 수밖에 없으며, 이런 현상을 '에피택셜 스트레인(epitaxial strain)'이라고 부릅니다.

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간격이 조금씩 다른 틀 위에 그물망을 얹으면 그물이 억지로 늘어나며 접합부의 위치가 미세하게 바뀌는 것과 비슷한 원리로 설명됩니다.

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연구팀은 전자의 에너지와 운동량, 스핀을 동시에 측정할 수 있는 '스핀 분해 각도분해광전자분광법(spin-ARPES)'이라는 기법을 활용했습니다.

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측정 결과가 실제 신호인지 확인하기 위해 두 가지 서로 다른 실험 배치에서 반복 측정을 진행했으며, 추가적인 엑스선·광학 실험을 통해 필름이 완전히 늘어난 상태를 유지하고 있음을 확인했습니다.

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그 결과 전자의 스핀 방향이 결정 내 운동량에 따라 체계적으로 바뀌는, 이른바 '운동량 의존적 스핀 텍스처'가 관측됐습니다.

 

사진출처) Science Advances (2026) ❘ RuO₂ 스핀 구조

 

산화루테늄은 뛰어난 전기전도성을 지녀 산업용 촉매나 도체, 양자물질 연구에 널리 쓰여온 물질입니다.

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그런데 지난 몇 년간 일부 실험에서 이 물질이 '알터마그넷(altermagnet)'일 가능성이 제기되며 학계의 관심이 집중됐습니다.

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알터마그넷은 일반적인 자석과 달리 전자의 스핀은 질서 있게 배열돼 있지만 전체적인 자화는 거의 나타나지 않는 새로운 유형의 자성 물질로 알려져 있습니다.

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다만 그동안의 연구들은 산화루테늄의 자성 여부를 두고 서로 다른 결론을 내놓아 혼란을 키워왔습니다.

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일부 연구에서는 자기 질서와 특이한 홀 효과, 효율적인 스핀-전하 변환 현상이 보고됐지만, 다른 연구에서는 벌크 결정이나 이완된 박막에서 자성의 증거를 찾지 못했다고 전해졌습니다.

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최근에는 두께 5나노미터까지의 박막에서도 알터마그넷 특성이 나타나지 않는다는 연구 결과가 발표되기도 했습니다.

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이에 대해 연구진은 4나노미터보다 얇으면서 완전히 늘어난 상태의 박막을, 전자의 운동과 스핀을 동시에 측정하는 기법으로 직접 조사한 사례는 그동안 없었다고 설명했습니다.

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사진출처) Science Advances (2026) ❘ 광전자 스핀 편극

이번에 관측된 스핀 텍스처는 대칭성 분석을 거쳐 물질의 극성 구조나 측정 과정에서 발생할 수 있는 비자성적 요인으로는 설명되지 않는다는 점이 확인됐습니다.

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연구진은 논문에서 "포괄적인 대칭성 분석을 통해 이러한 스핀 텍스처의 비자성적 기원 가능성을 배제했다"며 "이번 결과는 초박막 한계에서 에피택셜 스트레인에 의해 나타나는 비상대론적 스핀 구조를 보여주며, 이는 이완되거나 벌크 상태인 산화루테늄과는 뚜렷이 구분되는 특성"이라고 밝혔습니다.

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관측된 특성은 약한 강자성(weak ferromagnetism)과 알터마그네티즘 두 가지 가능성 모두와 부합하는 것으로 나타났습니다.

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다만 이번 실험은 약 섭씨 영하 258도(15켈빈)에 해당하는 극저온 환경에서 이뤄져, 상온에서도 동일한 현상이 유지될지는 아직 확인되지 않았습니다.

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연구진은 앞으로 정확히 어떤 자기 상태가 발생하는지, 그리고 이를 실제 소자에서 안정적으로 제어할 수 있는지를 규명하는 추가 연구가 필요하다고 밝혔습니다.

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물체에 힘을 줘서 살짝 늘리는 스트레인(strain)을 자성을 켜고 끄는 '제어 스위치'처럼 활용할 수 있다면, 전하 대신 전자의 스핀으로 정보를 처리하는 저전력 스핀트로닉스 소자 개발에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 전망됩니다.

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이번 연구는 영하 258도라는 극저온에서 이루어졌기 때문에 당장 제품화는 어렵지만, 향후 스핀 기반 소자를 이용한 차세대 반도체 소재나 초 저전력 메모리등 관련 분야에 영향을 미칠 수 있을 것으로 주목됩니다.

 

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※ 기사 내용 참조

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[Phys.org] Unusual metal oxide shows signs of magnetism under lattice strain in ultrathin layers |by Krystal Kasal, Phys.org edited by Gaby Clark, reviewed by Robert Egan | August 1, 2026 | https://phys.org/news/2026-07-unusual-metal-oxide-magnetism-lattice.html

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[Interesting Engineering] A metal long thought nonmagnetic changes character when stretched | by Rupendra Brahambhatt | Aug 02, 2026 11:07 AM EST | https://interestingengineering.com/science/crystal-stretch-uncovers-magnetism-ruthenium-dioxide

 

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