인공지능 에이전트가 실험실이 아니라 계산을 통해 신소재 후보를 제안하는 사례가 늘고 있다. 이번에는 Claude Opus 5.5 기반 에이전트 팀과 연구자가 차세대 컴퓨터 메모리에 쓰일 수 있는 자성 물질 두 가지를 찾아 공개했다. 하나는 이들이 새로 설계한 화합물이고, 다른 하나는 1999년에 이미 합성됐지만 그 특성이 주목받지 못한 물질이다. 두 물질 모두 계산상 전체 자화는 0이면서도 전자를 스핀 방향에 따라 구분할 수 있다는 점이 핵심이다. 연구팀은 전체 계산 과정과 코드, 알려진 한계까지 깃허브에 함께 공개했다.
자석의 세 가지 유형
왜 이것이 중요한지는 자석의 종류를 구분하면 분명해진다. 냉장고 자석으로 익숙한 강자성체는 원자 단위 자석이 모두 같은 방향을 가리켜 자기 효과가 더해진다. 반면 반강자성체는 이웃한 원자 자석이 서로 반대를 향해 자기적으로 정확히 상쇄된다. 전자는 '스핀'이라는 양자역학적 성질을 갖는데, 이 스핀의 위·아래 방향이 곧 정보 저장의 단위가 된다. 하드디스크 읽기 헤드나 MRAM 같은 스핀트로닉스 소자가 바로 이 원리를 쓴다.
문제는 저장을 위해 전자를 스핀별로 '정렬'해야 한다는 데 있다. 강자성체는 전류를 나르는 전자가 대부분 한쪽 스핀이라 자연스럽게 정렬되지만, 외부로 새어 나오는 자기장이 주변 소자를 간섭하고 제어가 어려우며 스위칭이 느리고 전력 소모가 크다. 반대로 일반 반강자성체는 자기장 문제는 없지만 같은 에너지 준위에 서로 다른 스핀이 섞여 있어 애초에 정렬 자체가 되지 않는다.
러팅거 보상 물질이라는 절충안
이 두 극단 사이를 메우는 것이 '러팅거 보상(Luttinger compensated)' 물질이다. 이 물질은 위 스핀 원자와 아래 스핀 원자의 자성 크기가 같아 전체적으로 상쇄되지만, 두 원자가 서로 다른 환경에 놓인다는 점이 일반 반강자성체와 다르다. 서로 다른 원소이거나 같은 원소라도 결정 내 자리가 다르기 때문에 전자를 에너지 준위에 따라 스핀별로 분리할 수 있다. 이름은 러팅거 정리에서 왔는데, 절연체에서 반복 단위의 알짜 스핀 모멘트는 정수여야 하므로 한번 0이 되면 그대로 고정된다는 것이다. 다만 이는 절대영도 부근의 완벽한 결정에 해당하는 이야기로, 스핀-궤도 결합이나 열은 약간의 불균형을 남길 수 있다.
실무적으로 중요한 지표는 '스핀 창(spin window)'이다. 밴드갭 가장자리에서 가능한 모든 전자 상태가 같은 스핀을 갖는 에너지 구간을 뜻하며, 상온의 열적 요동(약 26meV)보다 이 창이 넓을수록 전자가 흐트러지지 않고 정렬을 유지한다. 결국 밴드갭을 가진 반도체이면서 스핀을 에너지로 분리할 수 있고, 전체 자화가 0인 물질이 이상적인 목표가 된다.
에이전트가 찾은 두 후보
에이전트들은 밀도범함수이론(DFT)으로 각 결정을 시뮬레이션했다. 빠른 PBE+U와 더 정확한 HSE06 두 수준을 썼고, 공개한 밴드갭·스핀 창 값은 정확한 쪽을 기준으로 삼았다. 먼저 새로 설계한 화합물은 Mn과 Fe 원자가 완벽한 체커보드 패턴으로 배열돼야 효과가 나타난다. 그러나 온도별 배열을 모사하자 약 950K에서 이 패턴이 무작위로 흐트러졌다. 이런 산화물 합성에는 900~1300도가 필요한데 낮은 온도에서는 원자가 거의 움직이지 않아, 일반적인 합성법으로는 뒤섞인 결정이 나오기 쉽다. 뒤섞이면 스핀 정렬을 잃으므로 쓸 만한 형태로 만들기가 어렵다.
두 번째가 1999년에 이미 보고된 KV[Cr(CN)₆]다. 300년 된 안료 프러시안 블루와 같은 계열로, 두 금속의 자성이 상쇄되도록 설계된 점이나 스핀 정렬 자체는 이미 문헌에 있었다. 2008년 한 연구는 하이브리드 범함수로 전자 상태를 스핀별로 그려 양쪽 밴드 가장자리가 같은 스핀임을 보였지만, 압력 하 자기 결합이 주제였던 탓에 그 의미를 짚지 않았다. 이 물질이 러팅거 보상 반도체라는 사실, 스핀 창의 구체적 수치, 그 견고함을 처음 확인한 것이 이번 작업의 기여다.
아직 검증이 남은 예측
다만 이 예측은 물이 없는 완벽한 결정을 가정한 값이다. 유일한 실물 시료인 1999년 분말은 기공에 물을 머금고 있었고, 알짜 자기 모멘트가 완전히 0이 아니라 화학식 단위당 0.125 보어 마그네톤이 남아 있었다. 물의 영향을 두고 두 계산법은 엇갈린다. HSE06은 스핀 정렬이 살아남는다고 보는 반면, PBE+U는 정공 쪽 창이 절반 이상 줄어든다고 본다. 밴드갭도 스핀 정렬도 아직 실측되지 않았다.
그럼에도 주목할 만한 것은 상온 동작 가능성이다. 2025년 한 연구가 예측한 다른 러팅거 보상 반도체 두 가지는 모두 상온 이하에서 자기 질서를 잃었고, 상온에서 버티는 물질을 남은 과제로 지목했다. KV[Cr(CN)₆]는 이미 합성된 적이 있고 1999년 시료가 376K까지 질서를 유지했다는 점에서 출발선이 다르다. 따라서 숙제는 분명하다. 이 물질을 다시 합성해 스핀 정렬을 직접 측정하는 일이다. 차세대 스핀트로닉스 소재가 완전히 새로 만들어지기보다 이미 존재하는 물질 속에 묻혀 있을 수 있다는 가능성, 그리고 그 발견 과정을 계산과 코드로 투명하게 공개했다는 점이 이번 사례가 남긴 메시지다.