요약
국내 연구진이 새로운 양자역학적 자성 상태를 발견했습니다. 이전까지 보고되지 않았던 자성과 직접 관련 없어 보이는 두 가지 서로 다른 양자 상이 숨겨진 자기적 원리에 의해 조절돼 발현될 수 있음을 밝힌 겁니다. 이는 향후 관련 물질 연구와 인접 분야에서 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
KAIST 물리학과 한명준 교수 연구팀이 성균관대학교, 이화여자대학교, 서울대학교, 포항공과대학교과의 공동 연구를 통해 2차원 물질에서 전하밀도파(charge density wave)와 스핀밀도파(spin density wave)가 서로 얽혀 나타나는 독특한 양자 현상을 최초로 발견했습니다. 이번 연구는 <Advanced Materials>에 게재됐습니다.
- 전하밀도파(charge density wave)
물질 내에 존재하는 전자들의 전하가 특정한 방식으로 규칙적인 배열을 이루어 파동의 형태를 이루는 현상 또는 그러한 물질의 상태를 말합니다.
- 스핀밀도파(spin density wave)
물질 내에 존재하는 전자들의 스핀이 특정한 방식으로 규칙적인 배열을 이루어 파동의 형태를 이루는 현상 또는 그러한 물질의 상태입니다.
양자역학적 자성 상태, 스핀트로닉(spintronic) 신소재 발견으로 연결될 가능성↑
그래핀을 비롯한 2차원 물질들은 다양한 양자 현상의 발현과 소자 응용 가능성으로 수년간 관련 학계의 집중적인 연구 주제가 되고 있습니다. 특히 최근에는 이 물질들에서 나타나는 자성이 주목받기 시작했는데요. 이는 저차원에서 나타나는 자성의 양상이 물리학적으로 매우 독특할 뿐 아니라 기존 소자를 대체할 수 있는 스핀트로닉(spintronic) 신소재 발견으로 연결될 가능성이 크기 때문입니다. 이러한 이유로 과학자들은 새롭고 유용한 자성 2차원 물질과 여기에서 발현되는 새로운 현상들을 탐색하고 있습니다.
- 스핀트로닉(spintronic) 신소재
전자의 전하만을 이용하는 통상적인 소자 및 관련 연구를 일렉트로닉스(electronics)라 합니다. 이들의 한계를 극복하기 위해 전자의 스핀까지 이용하고자 하는 연구 분야를 스핀트로닉스라 하는데 이와 관련하여 다양한 신소재, 신물질 연구가 진행 중에 있습니다.
연구팀은 이텔루륨화 바나듐(VTe2)에서 전자의 스핀과 전하 밀도 그리고 원자 움직임이 서로 얽히며 강하게 상호작용하고 이로부터 서로 다른 두 가지 상(phases)을 갖게 된다는 것을 확인했습니다. 특히 제1원리 양자역학 계산을 통해 전하 분포와 원자 배열이 정해지는 이면에 전자의 자기 스핀이 언제나 작용하고 있음을 파악했습니다.
이는 이전에는 보고되지 않았던, 자성과 직접 관련 없어 보이는 두 가지 서로 다른 양자 상이 숨겨진 자기적 원리에 의해 조절돼 발현될 수 있음을 밝힌 겁니다. 연구팀의 이번 발견은 서로 다른 양자역학적 변이 간의 긴밀한 협동을 통한 신 물성 발현이라는 응집 물리학의 주요 주제 가운데 하나로서 중요한 사례가 될 것으로 보입니다. 또한, 이러한 관점과 연구 접근은 2차원 물질들에서 시도되지 못하고 있던 것으로서 향후 관련 물질 연구 등 인접 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
한명준 교수는 "이번 연구는 주로 위상 성질이나 전하 특성으로 주목받던 전이금속 칼코겐 화합물에서 새롭고 독특한 자기 특성을 발견했다는 데 그 중요성이 있다"며 "현상의 이면에서 특이 물성이 발현되도록 하는 양자역학적 원리를 밝혀냈다는 점에서도 학문적 의미가 크다"고 말했습니다.
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