주메뉴바로가기.. 본문바로가기

국내 연구진, 노벨 물리학상 받은 2차원 자성물질 비밀 실험으로 증명했다

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2019년 01월 21일 19:00 프린트하기

박제근 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 부연구단장(왼쪽), 정현식 서강대 물리학과 교수(가운데), 박철환 서울대 물리천문학부 교수 공동연구팀은 2016년 노벨 물리학상의 이론을 실험을 통해 증명해내는데 성공했다고 21일 밝혔다. -기초과학연구원 제공
박제근 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 부연구단장(왼쪽), 정현식 서강대 물리학과 교수(가운데), 박철환 서울대 물리천문학부 교수 공동연구팀은 2016년 노벨 물리학상의 이론을 실험을 통해 증명해내는데 성공했다고 21일 밝혔다. -기초과학연구원 제공

국내 연구진이 지난 2016년 노벨 물리학상을 받은 2차원 물질의 상전이 현상을 설명하는 이론을 실험을 통해 처음으로 증명하는데 성공했다.   

 

박제근 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 부연구단장과 정현식 서강대 물리학과 교수, 박철환 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 그동안 이론으로만 예측해온 '기묘한 물질'의 특성을 세계 최초로 실험으로 규명하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

 

기묘한 물질은 기존에 알고 있던 고체, 액체, 기체처럼 우리가 알고 있던 상태와는 다른 새로운 상태를 가진 물질을 뜻한다.

 

예를 들어 자석은 항상 자성을 띄는 것은 아니다. 온도를 높이면 자성을 잃고 보통의 쇠붙이처럼 변한다. 이를 자성 상전이 현상이라고 한다. 이처럼 고체가 액체로, 액체가 기체로 변하는 것처럼 물질의 상태가 다른 상태로 변하는 것을 상전이라 한다. 자성을 띄던 상태가 자성을 띄지 않는 상태가 되는 것은 자성 상전이인 셈이다. 이 현상은 원자의 전자들이 가지게 되는 양자수인 스핀과 관련이 있다. 스핀이 한 방향으로 정렬돼 있으면 자성이 생기고, 그렇지 않으면 자성이 없어지는 식이다.

 

자성 상전이를 설명하기 위해 제시된 모델들 -기초과학연구원 제공
자성 상전이를 설명하기 위해 제시된 모델들 -기초과학연구원 제공

지금까지 이 현상을 설명하기 위해 제시된 모델은 세 가지다. 첫째는 스핀이 위나 아래의 두 방향으로만 정렬된다는 ‘아이징 모델’이다. 다음 ‘XY모델’은 스핀이 2차원 평면 위에서 시계바늘처럼 360도의 방향성을 가진다는 모델이다. ‘하이젠베르크 모델’은 스핀이 3차원 모든 방향을 가질 수 있다는 모델이다.

 

지난 2016년 노벨 물리학상은 XY모델을 따르는 2차원 물질의 자성 상전이 현상에 대한 이론적 토대를 마련한 데이비드 사울레스 미국 워싱턴대 교수, 마이클 코스털리츠 브라운대 교수, 덩컨 홀데인 프린스턴대 교수를 선정했다. 이 이론은 1970년대 처음 제시됐지만, 실험적으로 구현한 적은 드물었다. 원자 하나 두께의 얇은 자성 물질을 구현하는 것이 힘들뿐더러, 얇은 물질의 미세한 자성을 측정할 수 있는 실험장치가 없었기 때문이다.

 

연구팀은 삼황화린니켈(NiPS₃)을 이용해 단일 원자층의 자성 물질을 제작했다. 삼황화린니켈은 층상구조를 가진 물질로 점착테이프를 반복해 붙였다 떼어내며 원자 한 층의 두께를 만들 수 있다. 단일 탄소 원자층 물질인 그래핀을 발견했던 방법과 같다. 삼황화린니켈은 인접한 스핀이 서로 반대방향으로 정렬돼 특정 온도 이하에서만 자성을 띠는 반강자성체다.

 

연구팀이 만든 삼황화린니켈(NiPS₃) 기반 단일 원자층 자성 물질. 1나노미터(㎚, 10억분의 1m)정도의 두께다. -기초과학연구원 제공
연구팀이 만든 삼황화린니켈(NiPS₃) 기반 단일 원자층 자성 물질. 1나노미터(㎚, 10억분의 1m)정도의 두께다. -기초과학연구원 제공

연구진은 얇은 시료의 자성을 관찰하기 위해 라만 분광법을 활용했다. 빛을 쪼아 빛 에너지의 일부가 물질의 진동에너지만큼 감소하는 라만현상을 측정해 분자 구조에 관한 정보를 얻는 기술이다. 원자층 개수에 따른 자성 변화를 관찰한 결과 수 원자층 두께의 시료에서 관찰되던 자기 상전이가 단일 원자층에서는 나타나지 않음을 확인했다.

 

연구팀은 단일 분자에서는 자성 상전이 현상이 없어짐을 실험을 통해 검증했다. 이는 노벨 물리학상의 주요 내용이었던 XY모델을 따르는 물질을 2차원 소재로 제작했을 때, 자성 상전이가 나타나지 않는다는 이론을 증명한 것이다. 삼황화린니켈은 영하 118.15도 이상의 온도에서는 자성을 잃는 성질이 있다. 원자 2개 두께 시료에서도 자성 상전이 현상이 나타났다. 반면 원자가 단일 층을 형성했을 땐 실험에서 측정한 가장 낮은 온도인 영하 248.15도에서도 자성 상전이가 나타나지 않았다.

 

과학자들이 자성 상전이 현상을 실험으로 증명한 것은 처음이 아니다. 연구팀은 2016년에 아이징 모델의 자성 상전이 현상을 실험으로 증명해낸 연구결과를 발표했다. 하이젠베르크 모델 검증까지 원료하면 2차원 자성 물질의 모든 비밀을 국내 연구진이 풀어내는 셈이다.

 

박 부연구단장은 “갈릴레오 갈릴레이가 달을 관측하는 도구를 개발해 지동설이란 새로운 이론을 만들었듯, 이론을 실험으로 증명하는 과정에서 예측하지 못했던 중요한 발견이 이뤄진다”며 “이번 연구는 2차원 원자층 물질의 자성현상에 대한 새로운 돌파구를 제시한 것으로 향후 자성 반도체나 스핀전자소자 등의 개발에도 응용되리라 기대한다”고 말했다.

 

연구결과는 21일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 온라인판에 실렸다.

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2019년 01월 21일 19:00 프린트하기

 

혼자보기 아까운 기사
친구들에게 공유해 보세요

네이버밴드 구글플러스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

10 + 10 = 새로고침
###
과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기

관련 태그뉴스