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

국제 공동연구진이 물질의 전기적 성질에 자기적 성질이 직접 나타나는 새로운 현상을 발견했다. 이는 메모리의 집적도를 높일 수 있는 원리가 될 수 있어 차세대 고집적 메모리 소자 및 초저전력 자기센서 개발이 크게 앞당겨질 것으로 기대된다.

서울대 물리천문학부 김기훈 교수의 주도로 서울대 물리천문학과 김재욱 박사(제1저자), 김승현 박사, 천세환 박사 및 성균관대 물리학과 한정훈 교수 등이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행되었다. 또 고자기장과 이론 연구를 위해, 미국국립고자기장연구소, 럿거스 대학, 로스알라모스국립연구소가 참여하였다. 이 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 온라인판 7월 29일자 온라인판에 게재되었다.

전세계적으로 전기-자기 상호작용이 자주 나타나는 다강체를 이용하여 차세대 메모리 소자를 개발하려는 연구가 활발하지만 이같은 상호작용을 정확히 설명하지 못하고 있었다.
 * 다강체(多强體) : 전기적 성질과 자기적 성질이 강하게 결합된 물질로 전기장 또는 자기장으로 성질을 조절할 수 있는 물질. 고집적 메모리, 초저전력 자기센서 등에 응용될 수 있다.

그간에는 전기장과 자기장이 공간에서 파동으로 동시에 진행하는 빛과 달리, 물질 내부에서는 전기성과 자성은 서로 무관하게 생성되고 간접적으로만 약하게 작용하는 것이 정설이었다.
 

하지만 연구진은 다강체에서 N-S극 같은 자극*과 전기분극이 서로 생성되는 순간부터 직접적으로 비례하며 발현됨을 발견하고 원리를 밝혀내었다.
 * 자극(磁極) : 자기력이 가장 센, 자석의 양쪽 끝 부분

연구팀은 코발트 이온이 함유된 다강체 물질(Ba2CoGe2O7)*에 높은 자기장을 가해 자극이 발현되도록 조절해 주었다.
  * Ba(바륨), Co(코발트), Ge(게르마늄), O(산소)

  연구진이 이 특이점에서 자극과 전기분극이 초기에 생성될 때의 상호관계를 정확히 측정한 결과 전기분극과 자극이 서로 정확히 비례하는 관계를 유지하고 있음을 밝혔다.

다강체에서의 강한 전기-자기성 결합이 작거나 미미하지 않고, 매우 크게 나타날 수 있다는 새로운 상식을 정립한 것으로 평가된다.

  고집적 메모리 소재 및 초저전력 자기센서로의 응용이 기대되는 다강체의 실용화 가능성을 한 단계 높일 것으로 기대된다.

김기훈 교수는 “다강체의 전기적 성질에 자기 성질이 직접적으로 발현될 수 있는 미시적 근거를 밝힌 것으로, 이 물질계에 대한 물성 이해와 실용화 가능성을 동시에 높인 성과”라고 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경
 기존 자성 메모리, 강유전성 메모리 물질은 자기장으로 자화분극을 조절하거나, 전기장으로 전기분극을 조절하는 원리를 가지고 있다. 반면 다강체는 이러한 기존 조절방법과 더불어 자기장으로 전기분극, 전기장으로 자화도를 조절할 수 있으므로 저전력, 고집적의 메모리 소자 등으로 응용될 것으로 기대된다.

 때문에 전 세계 연구진이 경쟁적으로 다양한 다강체들을 찾아내고 있지만, 이제까지 발견된 현상은 모두 고전적인 이론으로 이해되었고, 전기-자기 상호작용이 간접적이고 미미하다는 이론이 주로 받아들여지고 있었다. 하지만 최근 발견되는 다강체의 실험결과로는 이미 기존 이론으로 설명할 수 없을 만큼 매우 큰 상호작용이 자주 관측되고 있었다. 

2. 연구내용
 본 연구결과는 다강체라는 물질에서 전기분극-자극(자화율)이 발현되는 순간부터 미시적으로 상호비례하여 나타날 수 있음을 최초로 발견한 것이다. 연구진은 또 전기분극이 독립적으로 고전이론을 따르지 않고, 자성의 영향을 직접 받아 자성 양자 요동을 보여주며 생성됨을 발견하였다.   

 연구팀은  Ba2CoGe2O7* 이라는 물질에 아주 강한 자기장 (최대 45 테슬라, 지구 자기장 0.5 가우스의 약 백만 배 정도 세기)을 가하여 물질의 자성 분극 (자극 혹은 자화율)이 생성되기 시작하는 양자 특이점으로 상태를 조절하였다.  이렇게 특이점 근처에서는 아주 작은 자극이 생겨날 때의 상황을 잘 관측할 수 있다.
  * Ba(바륨), Co(코발트), Ge(게르마늄), O(산소)

 이 특이점 근처에서 물질의 전기분극을 측정하였을 때, 역시 생성되는 전기분극을 잘 관측할 수 있게 된다. 놀랍게도 연구진이 발견한 결과는 이  두가지 전기분극-자극이 서로 독립적이지 않고 직접적으로 비례한다는 사실이었다. 이는 빛과는 달리 물질 내부에서는 전기분극-자극이 서로 상호작용이 없이 독립적으로 발현되고, 설사 상호작용이 있어도 간접적이고 미미하다는 일반 상식을 뒤집는 결과이다.

 이 같은 실험 결과를 설명하기 위해 연구진은 미시적인 이 물질의 특성이 이같은 직접 비례관계를 만들어 냄을 이론적으로 설명하였다. 또 이같은 비례관계를 증명하기 위해, 특이점 근처에서 전기분극의 크기가 고전이론을 따르며 온도에 반비례하며 커지는 것이 아니라, 자성 요동이 직접 전기분극에 영향을 미쳐  온도의 제곱에 반비례하며 커지는 것을 관측하였다.

3. 기대효과

 이 같은 새로운 현상을 통해 다강체 물질 내부에서는 자기-전기성이 직접 비례하여 상호작용이 극대화 될 수 있음을 보여주었다. 이같은 원리를 이용하면 다강체를 이용한 고집적 메모리 소자, 초저전력 고효율 자성소자로서 응용이 크게 앞당겨 질 것으로 기대된다.

 아울러 이번 연구결과는 향후 고집적 메모리 소재 및 초저전력 자기센서로 응용될 것으로 기대되는 다강체 물질에 대한 기존의 상식을 뛰어넘는 새로운 원리를 밝힌 것으로 신개념 메모리와 저전력 자기센서 개발을 위한 경주에 국내 연구진이 보다 주도적 역할을 할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

연 구 결 과 문 답

용 어 설 명