'다강체' 전기성·자기성 강한 상관관계 밝혔다(7.29)

차세대 메모리 소재 집적도 높일 수 있는 新물성 발견

김기훈 서울대 교수 주도 국제연구팀…고전이론 뛰어넘어

국제 공동연구진이 물질의 전기적 성질에 자기적 성질이 직접 나타나는 새로운 현상을 발견했다. 이는 메모리의 집적도를 높일 수 있는 원리가 될 수 있어 차세대 고집적 메모리 소자와 초저전력 자기센서 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김기훈 서울대 교수가 주도한 국제공동연구팀이 다강체에서 N-S극 같은 자극과 전기분극이 서로 생성되는 순간부터 직접적으로 비례해 발현되는 현상을 발견하고 원인을 밝혀냈다고 29일 발표했다.

국제공동연구팀에는 김재욱 서울대 물리천문학과 박사(제1저자), 김승현 박사, 천세환 박사 및 성균관대 물리학과 한정훈 교수 등이 참여했고, 미국국립고자기장연구소, 럿거스대, 로스알라모스국립연구소 등이 고자기장과 이론 연구를 위해 참여했다.

이 연구결과는 국제학술지 7월 29일 '네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications)' 온라인판에 소개됐다.

다강체(多强體)란 전기적 성질과 자기적 성질이 강하게 결합된 물질로 전기장 또는 자기장으로 성질을 조절할 수 있는 물질을 일컫는다. 고집적 메모리, 초저전력 자기센서 등에 응용될 수 있어 전세계적으로 차세대 메모리 소자로 개발 연구가 활발하다.

하지만 전기장과 자기장이 공간에서 파동으로 동시에 진행하는 빛과 달리, 물질 내부에서는 전기성과 자성은 서로 무관하게 생성되고 간접적으로만 약하게 작용한다는 것이 정설로 받아들여지면서, 이같은 상호작용을 정확히 설명하지 못하고 있었다.

연구팀은 코발트 이온이 함유된 다강체 물질(Ba2CoGe2O7)에 높은 자기장을 가해 자성 분극이 생성될 수 있도록 조절한 뒤 자극과 전기성을 관측했다.

이 특이점에서 자극과 전기분극이 초기에 생성될 때의 상호관계를 정확히 측정한 결과, 전기분극과 자극이 서로 정확히 비례하는 관계를 유지하고 있음을 밝혀냈다.

기존의 고전적인 이론을 뛰어 넘어, 다강체에서의 강한 전기-자기성 결합이 작거나 미미하지 않고 매우 크게 나타날 수 있다는 새로운 상식을 정립한 것으로 평가된다.

 

김기훈 교수는 "다강체의 전기적 성질에 자기 성질이 직접적으로 발현될 수 있는 미시적 근거를 밝힌 것"이라며 "이 물질계에 대한 물성 이해와 실용화 가능성을 동시에 높인 성과"라고 의미를 부여했다

▲ 고자기장(x축)과 온도(y축) 공간에서 형성된 양자특이점 부근에서 관측되는 전기분극(양이온과 음이온의 정렬)에 대한 모식도. 그림의 위 부분은 Ba2CoGe2O7의 격자 구조(파란은 Co이온, 빨간색은 산소이온)를 나타낸다. 황토색, 붉은색과 푸른색의 각 구획에서 전기분극의 상태와 Co 이온내의 스핀이 정렬된 상태를 나타낸다. <이미지=미래부>