[한국기술뉴스] 연세대학교 김재훈 교수(물리학과)는 서울대학교(박제근 교수) 등 국내외 연구진과의 공동연구를 통해 자성물질 NiI2에서 양자 얽힘 상태에 의한 다강성 자성 엑시톤을 최초로 관측하고 학계에 발표했다.

NiI2는 2차원 반데르발스 자성물질로서, 임계온도 59.5 K 아래에서 전기적 성질과 자기적 성질이 상호작용하면서 유전물성(ferroelectricity)과 자성상태(magnetism)를 동시에 갖는 이른바 다강성상(multiferroic phase)을 보인다. 김재훈 교수 연구팀은 가시광 영역에서의 투과분광 측정법을 통해 다강성상에 진입했을 때만 나타나는 날카로운 엑시톤 흡수신호를 검출했다.

이 자성 엑시톤은 물질의 고유한 결정축과는 독립적인 편광 이방성을 보이며, 관측된 이방성은 NiI2 물질이 다강성상에 돌입할 때 생성되는 다강성 자기 구역(multiferroic magnetic domain)의 방향성에 의해 정해지는 것으로서, 해당 결과는 자성 엑시톤이 다강성상 질서에 의해 발현된 것임을 증명한다.

이번 연구결과를 도출한 공동연구진은 이미 2020년 반자성 반데르발스 물질 NiPS3에서 결맞는 양자 얽힘 상태에 의해 발현되는 Zhang-Rice 엑시톤을 발견해 학계에 보고한 이력이 있다. 이번 연구에서 보고된 NiI2 물질에서도 유사하지만 미묘하게 다른 형성 원리를 통해 Zhang-Rice 자성 엑시톤이 발현하는 것을 공동연구진 내 각 기관의 상보적인 실험 방법을 동원해 확인했다.

연세대 김재훈 교수는 “일반적으로 선폭이 넓고(incoherent) 공간적으로 제한되는(localized) 절연체 내 엑시톤이 자성질서 혹은 다강질서의 물결을 타고 결맞음(coherence)을 유지하면서도 공간적으로 확장되는(macroscopic) 매우 특이한 양자효과가 발견된 것”이라고 말했다.

본 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 30.849)’에 2021년 12월 22일 온라인 게재됐다. 저자로는 손수한(공동 제1저자, 서울대), 이유진(공동 제1저자, 서울대), 김재하(공동 제1저자, 연세대), 김범현(공동 제1저자, 고등과학원), 김채빈(서울대), 나웅기(서강대), 주휘인(광주과학기술원), 박수동(막스플랑크 한국/포스텍 연구소), Abhishek Nag(Harwell Campus), Ke-Jin Zhou(Harwell Campus), 손영우(고등과학원), 김형도(포항가속기연구소), 노우석(막스플랑크 한국/포스텍 연구소), 박재훈(막스플랑크 한국/포스텍 연구소), 이종석(광주과학기술원), 정현식(서강대), 김재훈(공동 교신저자, 연세대), 박제근(공동 교신저자, 서울대) 연구자가 참여했다.