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중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질 물리학(condensed matter physics) 국가 연구센터 연구팀이 공동연구를 통해 2차원 토폴로지 재료 분야에서 실리신(silicene)과 보로핀(borophene)에서 그래핀과 유사한 2차원 디랙 콘(Dirac cone)을 발견하였으며, 최초로 단일 층 Cu₂Si에서 디랙 노달 라인(Dirac nodal line)을 발견하였음.

최근 에너지 밴드의 토폴로지(topology) 이론의 발전으로 여러 가지 토폴로지 에너지 밴드 구조가 존재하고 있다는 점을 발견하였는데 예를 들면 디랙 콘(Dirac cone), 바일 콘(Weyl cone) 및 디랙/바일 노달 라인(Dirac/Weyl nodal line) 등이 포함되어 있음. 이러한 유형의 토폴로지 에너지 밴드 구조는 특이한 물리 현상을 나타낼 수 있는데 예를 들면 키랄 이상(chiral anomaly), 초대 자기저항(magnetoresistance) 등 현상이 포함되어 있음. 2차원 재료가 나노 마이크로전자 디바이스 중에서 매우 거대한 응용가치를 보유하고 있기 때문에 2차원 재료 분야에서 토폴로지 에너지 밴드 구조를 실현하는 것이 중요하지만, 해당 에너지 밴드 구조가 구현되는 것은 매우 드묾. 연구팀은 2차원 토폴로지 재료는 모두 비(非) 자성 재료로서 스핀트로닉스(spintronics) 다바이스에 직접 응용하기 어려운 상황이기 때문에 자성 재료에서 토폴로지 에너지 밴드 구조를 탐색하였음.

해당 연구팀는 싱크로트론 복사(synchrotron radiation) 각 분해 광 방출 분광학(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)을 이용하고 이론 계산을 실행하여 일종 단일 원자 층의 강자성 재료인 GdAg₂(Tc≈85 K)에서 스핀 분극의 바일 노달 라인(Weyl nodal line)을 발견하였음.

연구팀은 심층적인 분석을 통해 이러한 바일 노달 라인(Weyl nodal line)이 결정체 대칭성의 보호를 받기 때문에 매우 우수한 안정성을 보유하고 있다는 점을 발견하였으며, 단일 층 GdAg₂중의 부분적인 바일 노달 라인(Weyl nodal line)은 자화(magnetization, 磁化) 방향이 다름에 따라 선택적으로 에너지 갭을 열 수 있다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’에 게재되었음