KAIST 물리학과 한명준(오른쪽) 교수와 김도훈 석박사통합과정생.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 한명준 교수 연구팀이 2차원 물질에서 전하밀도파와 스핀밀도파가 서로 얽혀 나타나는 독특한 양자 현상을 최초로 발견했다고 4일 밝혔다.

그래핀을 비롯한 2차원 물질들은 다양한 양자 현상의 발현과 소자 응용 가능성으로 수년간 관련 학계의 집중적인 연구 주제가 되고 있다.

특히 최근에는 이 물질들에서 나타나는 자성이 주목받기 시작했는데 이는 저차원에서 나타나는 자성의 양상이 물리학적으로 매우 독특할 뿐 아니라 기존 소자를 대체할 수 있는 스핀트로닉(spintronic) 신소재 발견으로 연결될 가능성이 크기 때문이다.

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 확인했다. 특히 제1원리 양자역학 계산을 통해 전하 분포와 원자 배열이 정해지는 이면에 전자의 자기 스핀이 언제나 작용하고 있음을 보였다.

이는 이전에는 보고되지 않았던 자성과 직접 관련 없어 보이는 두 가지 서로 다른 양자 상이 숨겨진 자기적 원리에 의해 조절돼 발현될 수 있다는 사실을 밝힌 것이다.

이번 발견은 서로 다른 양자역학적 변이 간의 긴밀한 협동을 통한 신 물성 발현이라는 응집 물리학의 주요 주제 가운데 하나로서 중요한 사례가 될 것으로 보인다. 또한 이러한 관점과 연구 접근은 2차원 물질들에서 시도되지 못하고 있던 것으로서 향후 관련 물질 연구 등 인접 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

한명준 교수는 “이번 연구는 주로 위상 성질이나 전하 특성으로 주목받던 전이금속 칼코겐 화합물에서 새롭고 독특한 자기 특성을 발견했다는 데 그 중요성이 있다”라며 “현상의 이면에서 특이 물성이 발현되도록 하는 양자역학적 원리를 밝혀냈다는 점에서도 의미가 크다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 2월 6일 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com