연세대학교 김재훈 교수(물리학과)는 서울대학교(박제근 교수) 등 국내외 연구진과의 공동연구를 통해 자성물질 ‘NiI2’에서 양자 얽힘 상태에 의한 다강성 자성 엑시톤을 관측하고 학계에 발표했다고 28일 밝혔다.

NiI2는 2차원 반데르발스 자성물질로서, 임계온도 59.5 K 아래에서 전기적 성질과 자기적 성질이 상호작용하면서 유전물성(ferroelectricity)과 자성상태(magnetism)를 동시에 갖는 이른바 다강성상(multiferroic phase)을 보인다.

김재훈 교수 연구팀은 가시광 영역에서의 투과분광 측정법을 통해 다강성상에 진입했을 때만 나타나는 날카로운 엑시톤 흡수신호를 검출했다.

이 자성 엑시톤은 물질의 고유한 결정축과는 독립적인 편광 이방성을 보이며, 관측된 이방성은 NiI2 물질이 다강성상에 돌입할 때 생성되는 다강성 자기 구역(multiferroic magnetic domain)의 방향성에 의해 정해지는 것으로서, 해당 결과는 자성 엑시톤이 다강성상 질서에 의해 발현된 것임을 증명한다.

연세대 김재훈 교수는 “일반적으로 선폭이 넓고(incoherent) 공간적으로 제한되는(localized) 절연체 내 엑시톤이 자성질서 혹은 다강질서의 물결을 타고 결맞음(coherence)을 유지하면서도 공간적으로 확장되는(macroscopic) 매우 특이한 양자효과가 발견된 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 30.849)’에 2021년 12월 22일 온라인에 게재됐다.

베타뉴스 강규수 기자 (health@betanews.net)
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