고자기장 하에서 다강체 임계 극점 발견

준자성 상전이 (metamagnetic transition) 는 물질의 자화가 자기장에 의해 갑자기 증가하는 현상으로 itinerant electron system 에서는 이와 관련되어 양자 임계 극점 (quantum critical end point) 등의 새로운 물리 현상이 발견되었다. 하지만 자성에 대비될 수 있는 전기성에 대한 임계 극점 현상에 대한 연구는 잘 되어 있지 않다. 이러한 관점에서 자성과 강유전성이 강한 상호작용을 하는 다강체 (multiferroic) 물질은 자기장을 통해 전기성의 임계 극점 현상을 연구하기에 좋은 후보라고 할 수 있다.

본 연구에서는 다강체 BiMn2O5 물질에서 고자기장에 의해 준자성 상전이와 동시에 전기분극이 반전되는 준전기성 (metaelectric) 상전이를 발견하였으며 전기분극의 변화를 Mn 스핀의 자기장에 따른 회전을 고려한 모델을 통해 설명하였다. 특이하게도 이 현상은 보통 1차 상전이로 나타나는 준자성 상전이가 0.5 K 의 극저온에서도 교차 (crossover) 상전이의 형태로 유지된다. 또한 극저온에서의 유전상수와 전기분극의 자기장 의존성은 3차원 Ising 모델을 따르지 않고 평균장 (mean-field) 이론에 일치하는 모습을 보이는데 이는 극저온의 양자 효과에 의한 것으로 여겨진다. 이러한 결과는 준자성 상전이와 마찬가지로 준전기성 임계 극점 부근에서 새로운 양자 물성이 나타날 수 있음을 시사한다. 이로부터 다강체 물질에서 새로운 양자 물성 연구의 가능성을 알린 최초의 연구 결과라고 평가된다.

본 연구는 주로 BK21의 국제교류협력 프로그램하의 미국 고자기장 실험 연수 지원과 NRL 사업에 의해 이루어졌으며, 성균관대 한 정훈교수님도 이론적인 해석에 도움을 주셨다.