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 소자와 초저전력 자기센서 개발이 크게 앞당겨질 것으로 기대된다.
김기훈 서울대 물리천문학부 교수의 주도로 김재욱, 김승현, 천세환 서울대 물리천문학과 박사와 한정훈 성균관대 물리학과 교수 등이 공동으로 수행한 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 온라인판 7월 29일자에 게재됐다.
전세계적으로 전기-자기 상호작용이 자주 나타나는 다강체를 이용해 차세대 메모리 소자를 개발하려는 연구가 활발한 추세다. 그러나 이 상호작용은 정확히 설명되지 못하고 있었다. 연구진은 다강체에서 N-S극 같은 자극과 전기분극이 서로 생성되는 순간부터 직접적으로 비례하며 발현됨을 알아내고 원리를 밝혀냈다.
다강체(多强體)란 전기적 성질과 자기적 성질이 강하게 결합된 물질로 전기장 또는 자기장으로 성질을 조절할 수 있다. 고집적 메모리, 초저전력 자기센서 등에 응용된다. 지금까지는 전기장과 자기장이 공간에서 파동으로 동시에 진행되는 빛과 달리, 물질 내부에서는 전기성과 자성은 서로 무관하게 생성되고 간접적으로만 약하게 작용하는 것이 정설이었다.
연구팀은 코발트 이온이 함유된 다강체 물질(Ba2CoGe2O7)에 높은 자기장을 가해 자극이 발현되도록 조절했다. Ba(바륨), Co(코발트), Ge(게르마늄), O(산소)다. 연구진이 이 특이점에서 자극과 전기분극이 초기에 생성될 때의 상호관계를 정확히 측정한 결과 전기분극과 자극이 서로 정확히 비례하는 관계를 유지한다는 것을 밝혔다.
이것은 다강체에서의 강한 전기-자기성 결합이 매우 크게 나타날 수 있다는 상식을 새롭게 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.
한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 고자기장과 이론 연구를 위해서는 미국국립고자기장연구소, 럿거스 대학, 로스알라모스국립연구소가 참여했다.
