전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
사회 교육

속보

더보기

'기묘한 물질' 비밀벗긴다..磁性상실 XY모델 실험관찰 세계 첫 성공

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

IBS “자성 반도체, 스핀전자소자 응용 기대”
기묘한 물질 특징을 세계 최초로 실험으로 규명
XY모델이론, 원자 스핀이 시계바늘처럼 방향성 갖는 모델

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 물리학에서 차원(Dimensionality)은 물질의 성질을 좌우하는 중요한 개념이다. 두께나 높이의 개념이 사라진 2차원 세상에서 일부 물질은 낮은 온도에서 양자역학의 지배를 받는 ‘기묘한 물질(Exotic matter)’로 탈바꿈한다. 기묘한 물질은 고체, 액체, 기체 등 우리가 기존 알고 있던 상(相)과는 매우 다른 새로운 상태를 말한다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 박제근 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수) 연구팀은 정현식 서강대 교수, 박철환 서울대 교수와의 공동연구를 통해 그 동안 이론으로만 예측돼온 기묘한 물질의 특징을 세계 최초로 실험으로 규명하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 이날 게재됐다.

연구진에 따르면 주변 쇠붙이를 끌어당기는 자석을 가열해 온도를 매우 높이면 자성을 잃고 보통의 쇠붙이처럼 변한다. 이를 ‘자성(性) 상전이(移·phase transition)’ 현상이라고 한다. 고체가 액체로, 액체가 기체로 변하는 것처럼 물질의 한 상태가 다른 상태로 변하는 것을 상전이라고 한다. 자성 상전이의 경우 임계온도 이하에서 규칙적으로 정렬돼 자성을 띠던 물질이 특정 온도 이상에서는 정렬이 풀려 자성을 잃어버리는 현상을 말한다. 

'자성 상전이' 현상을 입자들 사이의 상호작용으로 이해하기 위해 과학자들은 세 가지 모델을 만들었다. 그 중 XY모델은 가장 독특한 특성을 가져 학계의 주목을 받고 있다. XY모델은 원자의 스핀이 2차원 평면 위에서 시계 바늘처럼 360도의 방향성을 가진다는 모델이다.

2016년 노벨 물리학상은 XY모델을 따르는 2차원 물질의 자성 상전이 현상에 대한 이론적 토대를 마련한 세 명의 과학자에게 수여됐다. 하지만 1970년대 처음 제시된 이 이론을 실험적으로 구현한 사례는 드물다. 단원자 두께의 얇은 자성 물질을 구현하는 것이 힘들고, 이런 얇은 물질의 미세한 자성을 측정할 실험장치도 없었기 때문이다.

연구팀은 XY 모델의 독특한 자성 상전이 현상을 실험으로 관찰하는 데 성공했다. 우선 연구진은 삼황화린니켈(NiPS3)을 이용해 단일층 자성물질을 제작했다. 삼황화린니켈은 층상구조를 가진 물질로 점착테이프를 반복해 붙였다 떼어내며 원자 한 층 두께의 시료를 만들 수 있다. 삼황화린니켈은 인접한 스핀이 서로 반대방향으로 정렬돼 특정 온도 이하에서만 자성을 띠는 반강자성체다.

수 마이크로미터 두께를 가진 얇은 시료의 자성을 관찰하기 위해 연구팀은 라만 분광법(Raman spectrocopy)을 활용했다. 이를 활용해 원자층의 개수에 따른 자성 변화를 관찰한 결과, 수 원자층 두께의 시료에서 관찰되던 자기 상전이가 단일 원자층 시료에서는 나타나지 않음을 확인했다.

(그림) 연구진이 만든 삼황화린니켈 단일층의 모습:  박제근 부연구단장 연구팀은 2016년 삼황화린니켈(NiPS3)을 박리해 자성 원자층 추출에 성공한 바 있다(Scientific Reports, 2016.02). 삼황화린니켈은 전이금속인 니켈(Ni) 원자와 인(P)과 주기율표 상 산소와 같은 족에 속하는 황(S) 세 개를 결합된 2차원 물질이다. 왼쪽 그림(a)은 니켈삼황화린의 결정 구조를 나타낸다. 이 물질은 155K(절대온도) 이하에서 반강자성 정렬이 나타나고 단일층으로 만들면 자성 원자층 물질이 되는 신기한 물질이다. 빨간 색 화살표는 155K 아래에서의 니켈 원자의 스핀이 정렬된 방향을 나타낸다. 인접한 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬된 반강자성체의 스핀 특성이 드러난다. 오른쪽 그림(b)은 원자간력현미경(AFM)을 이용해 박리된 NiPS3의 표면이다. 그래프에서 나타나는 선들의 높낮이는 실제 시료의 두께를 나타낸다. 단층두께의 시료가 만들어졌음을 확인할 수 있다. [자료=IBS]  

덩어리(bulk) 형태의 삼황화린니켈은 155K(-118.15℃) 이상의 온도에선 반강자성 정렬이 풀리는 자성 상전이 현상이 나타났다. 단 2개 층으로 이뤄진 시료 역시 유사했다. 이와 달리 단일층 시료는 실험에서 측정한 가장 낮은 온도인 25K(-248.15℃)에서도 자성 상전이가 나타나지 않았다. 2016년 노벨물리학상의 주요 내용인 XY모델을 따르는 물질을 2차원 소재로 제작했을 때, 자성상전이를 가질 수 없다는 KT이론을 실험적으로 증명한 셈이다.

공동연구팀은 2016년 아이징 모델의 자성 상전이 현상을 실험으로 증명한 연구결과를 발표한 바 있다. 이번 연구에서 XY모델까지 증명해낸 만큼, 향후 하이젠베르크 모델의 검증까지 완료하면 2차원 자성 물질이 갖는 다양한 물리 현상에 대한 모든 비밀을 국내 연구진의 손으로 해결할 수 있게 된다.

박 부연구단장은 “갈릴레오 갈릴레이가 달을 관측하는 도구를 개발해 지동설이란 새로운 이론을 만들어낸 것처럼 이론을 실험으로 증명하는 과정에서는 인간이 예측하지 못했던 중요한 발견이 이뤄진다”며 “이번 연구는 2차원 원자층 물질의 자성현상에 대한 새로운 돌파구를 제시한 것으로 향후 자성 반도체, 스핀전자소자 등의 개발에도 응용되리라 기대한다”고 말했다.

 

kimys@newspim.com

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
이승엽, 요미우리 코치로 새출발 [서울=뉴스핌] 김용석 기자 = 이번에는 한국이 아닌 일본프로야구(NPB) 도쿄돔이다. 지난 13일 이승엽은 자신의 SNS를 통해 "안 좋았던 건 가슴속에 다 묻고 원점에서 다시 시작한다. 많이 웃을 수 있도록 최선을 다한다"는 짧지만 묵직한 소회를 밝혔다. 두산 베어스 감독직 사퇴 이후 반년 만에 전해진 행선지는 친정팀 요미우리 자이언츠의 1군 타격 코치다. 이승엽 감독. [사진=두산] 지난 2년은 부침이 심했다. 2023년 두산 베어스 감독으로 부임하며 화려하게 현장에 복귀했지만, 결과는 냉혹했다. 2년 연속 포스트시즌 진출이라는 외형적 성과에도 불구하고, 경기 운영 능력에 대한 의구심과 성적 부진의 압박이 그를 자진 사퇴로 몰아넣었다. 그가 복귀지로 요미우리를 택한 이유는 명확하다. 요미우리는 그가 2006년 일본 이적 첫해 41홈런을 터뜨리며 정점에 섰던 곳이다. 동시에 아베 신노스케 현 감독과 함께 그라운드를 누비며 '야구의 기본'과 '성실함'의 가치를 공유했던 장소이기도 하다. 아베 감독이 그를 영입하며 강조한 단어는 '연습벌레'였다. 화려한 기술 전수보다, 야구를 대하는 태도와 철저한 자기 관리를 선수들에게 이식해달라는 주문이다.   fineview@newspim.com 2026-01-14 09:13
사진
'케데헌', 美 골든글로브 2관왕 [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 넷플릭스 애니메이션 영화 '케이팝 데몬 헌터스(케데헌)'가 미국 골든글로브 어워즈에서 2관왕을 차지했다. 11일(현지시간) 미국 로스앤젤레스 베벌리힐튼호텔에서 열린 제83회 골든글로브 어워즈에서 '케데헌'이 장편 애니메이션상을 비롯해 극중 가상 K팝 걸그룹 헌트릭스가 부른 '골든(Golden)'이 주제가상을 수상했다. [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 제83회 골든글로브 시상식에서 '케이팝 데몬 헌터스'(케데헌)로 애니메이션 작품상(장편 애니메이션)을 받은 크리스 애펠한스(왼쪽) 공동 연출자, 메기 강 감독(가운데) 등. [사진=로이터 뉴스핌] 2026.01.12 alice09@newspim.com 이날 '케데헌'은 애니메이션 '엘리오'와 '아르코', '주토피타2' 등을 제치고 장편 애니메이션상의 영예를 안았다. 메기 강 감독은 수상 후 "트로피가 정말 무겁다"며 "한국 문화에 뿌리를 둔 영화가 전 세계 관객과 공감할 수 있다고 믿어주셔서 감사하다"며 소감을 밝혔다. 전 세계적인 인기를 끈 '케데헌' 오리지널사운드트랙(OST) '골든'은 주제가상을 차지했다. 이는 '아바타: 불과 재' '위키드: 포 굿' '씨너스: 죄인들' '트레인 드림스'를 제치고 거둔 성과다. '골든'을 작곡한 가수 겸 작곡가 이재는 수상 결과에 눈물을 보이며 "어릴 때 아이돌이라는 꿈을 이루기 위해 10년 동안 노력했지만 뜻을 이루지 못해 좌절했다"며 "그 고통을 견디기 위해 음악에 매달렸고 결국 이 자리에 설 수 있었다"고 말했다. [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 가상 K팝 걸그룹 헌트릭스의 오리지널사운드트랙(OST) '골든'이 미국 골든글로브 어워즈에서 주제가상을 수상했다. '골든'의 작곡가 겸 가창자 이재(가운데). [사진=로이터 뉴스핌] 2026.01.12 alice09@newspim.com 이어 "사람들이 어려움을 극복하는 데 힘이 되는 노래의 일부가 됐다는 것이 감사하다. 나는 꿈을 이뤘다"며 한국어로 "엄마 사랑해요"라고 덧붙였다. 앞서 '케데헌'은 제83회 골든 글로브 시상식에서 장편 애니메이션상, 주제가상(헌트릭스 '골든'), 박스오피스 흥행 성과상까지 3개 부문 후보에 이름을 올렸다. 다만 후보에 올랐던 박스오피스 흥행상 수상은 불발됐다. 해당 부문은 '씨너스: 죄인들'이 차지했다. '케데헌'은 이번 2관왕으로 오는 3월 열리는 아카데미(오스카상) 수상 가능성에 힘이 실리게 됐다. 케데헌은 앞서 지난 4일 열린 '크리틱스 초이스 어워즈'에서도 장편 애니메이션상과 주제가상을 받으며 2관왕을 차지한 바 있다. 한국계 캐나다인 메기 강 감독이 연출한 '케이팝 데몬 헌터스'는 케이팝 슈퍼스타인 헌트릭스의 루미, 미라, 조이가 화려한 무대 뒤 세상을 지키는 숨은 영웅으로 활약하는 이야기를 담은 액션 판타지 애니메이션이다. 지난해 6월 20일 공개 이후 넷플릭스 사상 최초 3억 누적 시청수를 돌파하며 영화·시리즈 통틀어 역대 1위를 차지했다. alice09@newspim.com 2026-01-12 14:16
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동