Manifestation of magnetic quantum fluctuations in the dielectric properties of a multiferroic

우리 학부 김기훈 교수가 주도하고, 김재욱 박사(제1저자), 김승현 박사, 천세환 박사 및 성균관대 물리학과 한정훈 교수, 미국 고자기장 연구소, 럿거스 대학 연구진이 공동으로 수행하여 발표한 최근 논문에서, 물질의 전기적 성질에 자기 성질이 직접 나타나는 새로운 현상을 처음으로 발견했다. 전기장과 자기장이 공간에서 파동으로 동시에 진행하는 빛과는 달리, 물질 내부에서는 전기성과 자성은 서로 무관하게 생성되고 간접적으로만 약하게 작용하는 것이 정설이었다. 하지만, 연구진은 차세대 메모리 소재로 기대되는 다강체에서 N-S극 같은 자극(磁極)과 전기분극이 서로 생성되는 순간부터 직접적으로 비례하며 발현됨을 최초로 발견하고 원리를 밝혀내었다.
연구진은 전세계적으로 다강체를 이용하여 차세대 메모리 소자 개발을 위해 경쟁적인 연구가 이루어지지만, 이 물질계에서 매우 큰 자기-전기 상호 작용이 자주 나타나는 이유를 정확히 설명하지 못하고 있음을 주목하였다. 이는 대부분의 물질 내부에서 전기-자기 상호작용 거의 없고, 설사 있어도 매우 간접적이고 미미하다는 것이 오랜 상식이었기 때문이었다.
연구진은 기존의 상식을 뒤집는 현상이 자주 나타나는 원인을 설명하기 위해, 코발트 이온이 함유된 다강체 물질 Ba2CoGe2O7에 높은 자기장을 가하여 자극이 발현되기 시작되는 양자 특이점까지 물질의 성질을 조절해 주었다. 연구진이 이 특이점에서 자극과 전기분극이 초기에 생성될 때의 상호관계를 정확히 측정한 결과 전기분극과 자극 (자화율)이 서로 정확히 비례하는 관계를 유지하고 있음을 밝혔다. 이는 다강체에서 나타나는 강한 전기-자기성 결합이 작거나 미미하지 않고, 매우 크게 나타날 수 있다는 새로운 상식을 정립한 것으로 평가된다. 또한, 고집적 메모리 소재 및 초저전력 자기센서로의 응용이 기대되는 다강체의 실용화 가능성을 한 단계 높이게 된 것으로 평가된다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행되었다. 또, 고자기장과 이론 연구를 위해, 미국국립고자기장연구소, 럿거스 대학, 로스알라모스국립연구소가 공동 연구로 참여하였다. 이 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 온라인판 7월 29일자에 게재되었다.

[그림설명]
고자기장(x축)과 온도(y축) 공간에서 형성된 양자특이점 부근에서 관측되는 전기분극(양이온과 음이온의 정렬)에 대한 모식도. 위의 그림은 Ba2CoGe2O7 의 격자 구조 (파란색은 Co 이온, 빨간색은 산소 이온)를 나타낸다. 아래 그림은 Co 이온내의 스핀이 양자 특이점 전 후에서, 자기장 크기에 따라 정렬된 모습을 보여준다.