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도쿄(東京)대학 대학원 공학계 연구과와 이화학연구소(RIKEN) 등의 공동 연구그룹이 자석성 ‘바일 반금속(Weyl semimetal)’이라는 최근 새로 발견된 자성체에 있어 거대한 자기 광학 응답을 실증하는 데 성공함. ‘토폴로지컬(topological) 물질’이라 불리는 일련의 물질 군에서는 특별한 전자 구조로부터 유래한 신기한 전자기 응답이 이론적으로 예측되고 있으며 차세대 전자 포토닉스에 대한 응용이 기대되고 있음. 예를 들어, 이러한 물질 군에서 전자는 마치 매우 큰 자기장이 걸려있는 것처럼 행동하며, 거대한 이상 홀 효과로 대표되는 비자명 전도 현상이 보고되고 있음. 또한, 광학 응답에 있어서도 물질의 토폴로지에서 유래한 새로운 현상의 존재가 기대되고 있었음. 연구진은 강자성이면서 토폴로지컬 물질인 Co3Sn2S2에 있어 토폴로지컬 전자 구조에 관련한 자기 광학 응답을 조사함. 테라헤르츠~적외의 넓은 광학 영역에 있어 고정밀 자기 광학 패러데이(Faraday)·커(Kerr) 효과를 측정한 결과, 이 물질의 자기 광학 효과가 지금까지 관측되어 온 일반 자성체에 비해 훨씬 크다는 것을 확인함. 또한 광학 홀 전도도 스펙트럼과 제1원리 계산을 비교한 바, 관측된 광학 응답이 토폴로지컬 전자 구조에 유래하고 있음을 규명함. 본 연구 성과는 토폴로지컬 물질이 일반적으로 큰 자기 광학 효과를 나타내는 것을 시사하며, 향후 토폴로지컬 물질을 이용한 새로운 광학 장치의 개발로 이어질 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 영국 과학 잡지 ‘Nature Communications’ (“Giant magneto-optical responses in magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2”) 지에 게재됨.