[천세환박사/김기훈교수/학부공동연구] 다강체의 테라헤르츠 주파수 영역 내 동역학적 자기전기 효과 연구 (Phys. Rev. Lett. 논문 게재)
우리 학부 김기훈 교수 창의 연구단 (제 1저자: 천세환 박사)이 주도하고 김대식 교수 창의 연구단, 박건식 교수 창의 연구단이 협력한 연구 결과가 Physical Review Letters (2018년 1월 12일자)에 출간되었다. 공동 연구진은 테라헤르츠(terahertz) 빛을 이용한 분광 실험으로 다강성 철산화물 Co2Z-type hexaferrite (Ba0.5Sr2.5Co2Fe24O41)에서 나타나는 electromagnon 준입자 거동 현상을 연구하였다.
다강성(multiferroic) 물질은 강유전성과 강자성을 동시에 가지며, 강한 자기전기 (magnetoelectric) 상호 작용에 의해 electromagnon 준입자 (quasiparticle)을 갖는다. 이 준입자의 에너지는 테라헤르츠 주파수 영역에 존재하여 다강성 물질을 테라헤르츠 광소자에 활용할 수 있다.
테라헤르츠 주파수 영역의 빛은 정보통신 기술(IT), 생명공학 기술(BT) 응용 측면에서 많은 관심을 받고 있다. 광대역 주파수 특성은 대용량 데이터 통신 기술을 구현할 수 있고, 세포의 수분에 대한 민감성은 생의학(biomedical) 센서로 활용될 수 있어 관련 연구들이 활발하게 진행 중이다.
공동 연구진은 electromagnon의 상온 존재 가능성을 제시하며 외부 자기장의 방향 변화에 의해 준입자 에너지가 민감하게 달라지는 magnetochromism 현상을 보고했다. 또한 관측된 동역학적(dynamical) 자기전기 효과가, 외부 자기장에 의해 변화되는 정역학적(static) 효과와 밀접하게 관련됨을 모델 계산 분석으로 밝혀냈다. 이 연구는 새로운 유형의 자기전기 효과를 규명하고 테라헤르츠 응용 기능성 확장을 제안하고 있다.
An electromagnon in the magnetoelectric (ME) hexaferrite Ba0.5Sr2.5Co2Fe24O41 (Co2Z-type) single crystal is identified by time-domain terahertz (THz) spectroscopy. The associated THz resonance is active on the electric field (Eω) of the THz light parallel to the c axis (∥ [001]), whose spectral weight develops at a markedly high temperature, coinciding with a transverse conical magnetic order below 410 K. The resonance frequency of 1.03 THz at 20 K changes −8.7% and +5.8% under external magnetic field (H) of 2 kOe along [001] and [120], respectively. A model Hamiltonian describing the conical magnetic order elucidates that the dynamical ME effect arises from antiphase motion of spins which are coupled with modulating electric dipoles through the exchange striction mechanism. Moreover, the calculated frequency shift points to the key role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction that is altered by static electric polarization change under different H.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.027202