'기묘한 물질'이 뭐지?…비밀 한 꺼풀 더 벗겨냈다

이론으로만 존재 'XY모델 자성 상전이' 개념 실험적으로 관찰

삼황화린니켈의 라만 분광법 스펙트럼

[아시아경제 김철현 기자] 두께나 높이의 개념이 사라진 2차원 세상. 여기서 일부 물질은 낮은 온도에서 양자역학의 지배를 받는다. 이 물질은 고체, 액체, 기체 등 우리가 기존에 알고 있던 것과는 매우 다른 새로운 상태다. 바로 '기묘한 물질(Exotic matter)'이다. 국내 연구진이 이론으로만 예측돼 온 이 기묘한 물질의 특징을 실험으로 규명했다.

기초과학연구원(IBS)은 강상관계 물질 연구단 박제근 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수) 팀이 정현식 서강대 교수, 박철환 서울대 교수와의 공동연구를 통해 이 같은 성과를 올렸다고 21일 밝혔다. 연구팀이 실험으로 관찰한 기묘한 물질의 특징은 'XY모델 자성 상전이' 개념이다.

연구팀에 따르면 주변 쇠붙이를 끌어당기는 자석을 가열해 온도를 매우 높이면 자성을 잃고 보통의 쇠붙이처럼 변한다. 이런 '자성 상전이' 현상을 입자들 사이의 상호작용으로 이해하기 위해 과학자들은 세 가지 모델을 만들었다. 그 중 'XY모델'은 가장 독특한 특성을 가져 학계의 주목을 받았다. XY모델은 원자의 스핀이 2차원 평면 위에서 시계 바늘처럼 360도의 방향성을 가진다는 것이다. 2016년 노벨 물리학상은 XY모델을 따르는 2차원 물질의 자성 상전이 현상에 대한 이론적 토대를 마련한 세 명의 과학자에게 수여되기도 했다. 하지만 이 이론을 실험적으로 구현한 사례는 드물다. 단원자 두께의 얇은 자성 물질을 구현하는 것이 힘들고 이런 얇은 물질이 가지는 미세한 자성을 측정할 수 있는 실험장치 또한 없었기 때문이다.

이에 연구팀은 '삼황화린니켈'을 이용해 단일층 자성물질을 제작했다. 삼황화린니켈은 층상구조를 가진 물질로 점착테이프를 반복해 붙였다 떼어내며 원자 한 층 두께의 시료를 만들 수 있다. 삼황화린니켈은 인접한 스핀이 서로 반대방향으로 정렬돼 특정 온도 이하에서만 자성을 띠는 반강자성체다. 수 마이크로미터 두께를 가진 얇은 시료의 자성을 관찰하기 위해서는 '라만 분광법'을 활용했다. 이를 통해 원자층의 개수에 따른 자성 변화를 관찰한 결과, 수 원자층 두께의 시료에서 관찰되던 자기 상전이가 단일 원자층 시료에서는 나타나지 않음을 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 것으로 향후 자성 반도체, 스핀전자소자 등의 개발에도 응용될 것으로 기대한다"고 했다. 이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 21일자에 온라인 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr