서울대학교 물리천문학부 박제근 교수 연구진과 MIT의 Nuh Gedik 교수 그룹은 자성 반데르발스 반강자성체에서 새로운 양자상태인 반강자성 금속 상태를 실험적으로 세계 최초로 관측하고, 이 현상을 이론적으로 규명하는데 성공하였다.
이 성과는 재료과학계의 주요 학술지인 Nature Communications에 8월 11일(수) 온라인으로 발표되었다.
양자물질은 기본적으로 다양한 양자상태를 가지는 것으로 보고가 되어 있다. 이런 양자상태 가운데 반강자성 금속상은 한번도 보고가 되지 않은 새로운 상태이다.
박제근 교수 그룹은 2020년 Nature에 발표한 논문에서 NiPS3라는 반강자성 반데르발스 물질에서 양자적인 성질을 가지는 엑시톤을 발견한 바 있다. 기존의 엑시톤은 전자와 양공이 준고전적으로 서로 묶여있는 입자인 반면, NiPS3는 기본적으로 양자얽힌 상태이다.
이번 연구의 주요 발견은 이런 양자적으로 얽힌 엑시톤들이 상호작용을 통해서 새로운 양자상태인 반강자성 금속상을 형성한다는 것이다.
연구진은 NiPS3에서 레이저를 이용한 펌프-프로브 실험을 통해 NiPS3가 저온에서 레이저를 조사하여 엑시톤들의 여기로 비형평적인 상태가 만들었다. 이 경우 짧은 시간이지만 비평형 반강자성 금속상태가 만들어진다는 것을 관측하였다.
연구진은 이 실험결과를 설명하기 위해 스핀과 궤도에 얽혀있는 엑시톤이 중요한 역할을 한다는 것을 이론적인 해석을 통해 밝혔으며 또한 이를 뒷받침 해주는 여러 실험결과를 제시하였다. 그 결과 조사된 빛에 의에 물질에 엑시톤이 형성이 되고, 생성된 엑시톤은 저온의 반강자성 자기구조와 강하게 결합하여 결맞는 스핀파 진동이 존재함을 밝혔다. 동시에 이 엑시톤이 잉여 에너지를 가지고 움직일 수 있는 입자로 분리됨을 확인하였다.
박제근 서울대 물리천문학부 교수는“해당 연구성과는 지금까지 발견된 적이 없는 반강자성 금속 상태의 양자상을 발견한 첫번째 사례”라며 “이 연구를 통해 자성반데르발스 물질의 자성 엑시톤과 스핀이 얽혀있는 새로운 유형의 소자 개발 등 응용물리 및 광전자공학 분야에 새로운 가능성을 제시할 것이다”라고 의미를 밝혔다.
박제근 교수는 이미 관련 물질에서 스핀과 궤도가 얽힌 엑시톤을 발견하여 2020년 Nature 지에 논문을 발표하였다. S. Kang, et al., Nature 583, 785 (2020).