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‘물질계 엄친아’ 다강체 상온 작동 원리 풀렸다

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‘물질계 엄친아’ 다강체 상온 작동 원리 풀렸다

2015.11.24 18:00
이준희 UNIST 교수가 자신이 개발한 원리를 설명하고 있다 - UNIST 제공
이준희 UNIST 교수가 자신이 개발한 원리를 설명하고 있다 - UNIST 제공

국내 연구진이 ‘물질계의 엄친아’로 불리는 ‘다강체’가 상온에서 작동하는 원리를 밝혀냈다.


이준희 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 다강체 ‘비스무트 산화철’이 독특한 물리적 특성 때문에 상온에서도 자성과 유전성을 동시에 띤다는 사실을 확인했다고 24일 밝혔다.


다강체란 N극과 S극으로 구분되는 자성과 함께 양극(+)과 음극(-)으로 나뉘는 유전성을 동시에 갖는 물질을 뜻한다. 다강체를 메모리 소자로 만들면 자기장뿐 아니라 전압을 이용해서도 변화를 줄 수 있고 같은 공간 안에 더 많은 정보를 저장할 수 있다는 점 때문에 메모리 업계에서 차세대 소자로 주목하고 있다. 다강체를 물질계의 엄친아라 부르는 이유도 이 때문이다.


문제는 대부분의 다강체가 영하 수십~영하 수백 도의 극저온에서만 자성과 유전성을 보인다는 점이다. 연구팀은 일반적인 다강체와 달리 상온에서 다강체 성질을 띠는 비스무트 산화철(BiFeO₃)에 주목하고 비밀을 밝히는 연구에 착수했다.


연구팀은 다강체에서 ‘스핀’과 ‘전기분극’ 사이의 관계를 밝히는 데 전념했다. 스핀은 자기장을 걸어주면 N극과 S극이 서로 바뀌는 현상을 뜻하며, 전기분극은 물질 내부에서 양극과 음극으로 나뉘는 상태를 말한다.


이를 위해 양자역학 계산을 도입해 복잡한 스핀 구조를 가진 물질을 정밀하게 계산하고 예측할 수 있는 모델을 개발했다. 이 모델을 비스무트 산화철에 적용한 결과, 스핀과 전기분극 사이의 강력한 결합 때문에 상온에서도 다강성을 잃지 않는 것으로 밝혀졌다. 비스무트 산화철의 스핀과 전기분극 사이 결합 세기는 다른 다강체의 10~1000배로 나타났다.


이 교수는 “비스무트 산화철은 15년 동안 가장 많이 연구된 다강체임에도 밝혀진 내용이 많지 않았다”며 “이번 연구를 통해 다강체 속 물리적 특성을 확인해 지금까지 해석하기 어려웠던 물리 실험도 설명할 수 있게 됐다”고 말했다.


연구결과는 물리분야 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 11일자에 실렸다.

 

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