국내 연구진, '기묘한 물질' 비밀 푸는 열쇠 찾았다

두께나 높이의 개념이 사라진 2차원 세상에서 일부 물질은 양자역학의 지배를 받는 ‘기묘한 물질(Exotic matter)’의 모습을 나타낸다. 기묘한 물질이란 학계에서 붙인 명칭으로 기존의 상전이로서는 설명이 되지 않는 소용돌이-반소용돌이의 형태를 갖고 있다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질 연구단의 박제근 부연구단장 연구팀은 정현식 서강대 교수, 박철환 서울대 교수와의 공동연구를 통해 그동안 이론으로만 예측돼 온 기묘한 물질의 특징을 세계 최초로 실험으로 규명하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 원자의 스핀이 2차원 평면 위에서 시계와 같은 방향성을 갖는 XY모델을 기반으로 독특한 자성 상전이 현상을 실험으로 관찰했다. 이를 위해 연구진은 삼황화린니켈(NiPS3)을 이용해 단일층 자성물질을 제작했다. 또 수 마이크로미터(㎛)의 두께를 가진 얇은 시료의 자성을 관찰하기 위해 라만 분광법(Raman spectrocopy)을 활용했다.

연구팀은 이를 기반으로 원자층의 개수에 따른 자성 변화를 살핀 결과 수 원자층 두께의 시료에서 관찰되던 자기 상전이가 단일 원자층 시료에서는 나타나지 않는 점을 확인했다. 2016년 노벨물리학상의 주요 내용인 XY모델을 따르는 물질을 2차원 소재로 제작했을 때, 자성상전이를 가질 수 없다는 이론을 실험적으로 증명한 셈이다.

박 부연구단장은 “이번 연구는 2차원 원자층 물질의 자성현상에 대한 새로운 돌파구를 제시한 것”이라며 “향후 자성 반도체, 스핀전자소자 등의 개발에도 응용되리라 기대한다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 온라인 게재됐다.

윤희은 기자 soul@hankyung.com