성균관대학교(총장 신동렬) 물리학과 최우석 교수 연구팀(제1저자 정승교 연구원)이 단일 원자층(약 4옹스트롬 = 100억분의 4미터) 수준으로 정밀 조절된 인공 결정을 제작함으로써 격자의 떨림(포논)을 통해 전달되는 새로운 층간 교환 상호작용을 제시한 연구 결과를 발표했다.

얇은 두 자석 사이에 자성이 없는 얇은 도체를 끼워 넣으면 도체 내 자유전자에 의해 두 자석 사이의 층간 교환 상호작용이 발현된다. 이러한 상호작용은 자석의 자화 정렬 방향을 변화시키고 거대자기저항효과를 가져온다. 프랑스의 알베르 페르와 독일의 페터 그륀베르크가 2007년 노벨 물리학상을 수상하는 계기가 된 이러한 층간 교환 상호작용은 우리가 사용하는 하드디스크에 이미 활용되고 있다. 하지만 두 자석 사이에 자성이 없는 부도체를 끼워 넣을 경우에는 두 자석을 매개할 자유전자가 존재하지 않기 때문에, 기존의 층간 교환 상호작용이 적용될 수 없다.
   
 본 연구진은 포논(격자의 열적 떨림이 양자화된 개념)과 스핀(자석의 양자화된 개념)이 강한 상호작용을 가지는 인공 산화물 결정을 제작해 새로운 종류의 층간 교환 상호작용을 관측했다. 특히 원자층 수준으로 정밀 제어하여 자석 층의 스핀 정렬의 방향이 변화하는 것을 확인했고, 편광 중성자 반사율 측정을 통해 나선형 스핀 구조를 실험적으로 관측했다. 나아가 나선형 구조와 인공 결정의 원형 편광된 격자의 떨림의 파장이 유사하다는 사실을 밝혀내 새로운 층간 교환 상호작용의 가능성을 제시했다.

또한 원자층 수준의 정밀도를 갖는 인공 결정 내에서의 포논을 테라헤르츠 영역에서 인위적으로 발현시키고 조절했다. 이러한 방법론은 기존 고품질 반도체 박막에서만 제한적으로 가능한 것으로 여겨져 왔다. 때문에 포논과 관련된 열전소자, 초전도, 강유전성 등 다양한 연구가 이뤄져온 인공 산화물에서의 포논 연구를 가능케 함으로써 다양한 영역으로의 확장 가능성을 갖고 있다.

최우석 교수는 “원자층 수준 정밀 제어된 인공 산화물 결정을 통해 포논으로 인해 전달되는 새로운 방식의 층간 교환 상호작용을 최초로 관측함으로써, 다양한 양자 자성연구에서 포논의 새로운 역할을 제시하는 데 의미가 있다”고 덧붙였다.

본 연구결과는 성균관대학교 및 교육부, 한국연구재단이 추진하는 4단계 두뇌한국21 사업 대학원혁신, 기초연구지원사업(중견연구)의 지원으로 수행되었으며, 성균관대학교 김영민 교수, 한정훈 교수, 부산대학교 박성균 교수, 미국 오크릿지 중성자 연구소 발레리아 박사, 켄터키 주립대학교 서성석 교수, 테네시 주립대학교 에가미 교수 등 여러 전문가 그룹과 수년간의 공동연구의 성과로서, 국제 학술지 ‘Advanced Science’(IF=15.444)와 ‘Science Advances’(IF=14.136)에 1월 18일과 28일 두 차례 온라인 게재되었다.

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