1920년 스웨덴왕립과학원은 온도 변화에 따른 열팽창이 거의 없는 특이한 성질을 지닌 인바(invar, 니켈-철 합금)¹⁾를 발견한 공로로 샤를 에두아르 기욤에게 노벨 물리학상을 수여했다. 인바는 1897년 등장 후 현재까지 시계 등 초정밀 부품 소재로 산업계의 각광을 받고 있다. 100년 이상의 시간이 흘렀지만, 인바의 독특한 성질은 여전히 풀리지 않는 난제로 남아있다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단의 박제근 부연구단장 연구진(서울대학교 물리천문학부 교수)은 다중강성체²⁾내에서 특정 물리현상에 의한 새로운 동력학³⁾현상을 발견하고 이론적으로 입증해, 인바 문제를 설명할 실마리를 찾았다.

연구진은 희토류 원소인 이트륨(Y), 루테튬(Lu)과 삼산화망간(MnO₃)으로 제작한 단결정 합금 시료에 비탄성 중성자를 산란⁴⁾하는 실험을 수행했다. 해당 시료는 스핀파⁵⁾와 격자진동⁶⁾ 관측이 다른 물질에 비해 쉽다. 망간 원자가 정확히 2차원 평면 배열을 하기 때문이다. 학계는 망간 및 산소 원자들이 스핀파와 격자진동에 의해 준입자⁷⁾화 될 것이라 예측해왔다.

준입자의 이해를 돕기 위해 망간원자를 빨간 구슬, 산소원자를 파란 구슬로 가정해 보자. 이 구슬들을 격자구조의 그물에 원자 배치로 맞춰 꿴다. 평평하게 걸려있는 그물에 외부 힘(에너지)을 가하면 구슬들이 흔들린다. 이렇게 움직이는 동일 원소의 원자들을 묶어 하나의 입자인 준입자로 간주한다.

연구진은 산란된 중성자가 준입자와 에너지를 교환하도록 했다. 그 결과 중성자의 에너지 변화를 관찰해 준입자의 에너지와 존재를 관측할 수 있었다. 이후 관측값과 계산값을 비교, 스핀파와 격자 진동의 결합 방식을 최초로 증명했다.

다중강성체 내에서 스핀파가 격자진동과 결합해 구성 원자들의 특정 에너지와 운동량을 강하게 해, 새로운 스핀-격자 준입자를 만드는 것으로 드러났다. 학계에서 그동안 예측을 해왔으나, 명확한 실체가 밝혀진 게 이번이 처음이다.

박제근 IBS 부단장은"본 연구로 자성재료에서 100여년 동안 난제로 남았던 스핀파와 격자진동 결합의 실체를 확인했다"며 "이번 연구성과가 인바 문제 해결뿐만 아니라 다양한 재료의 메커니즘 파악에 큰 실마리가 될 것으로 기대한다"고 전했다.

본 연구성과는 과학저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF 11.470)에 10월 19일 게재됐다.

▲ 희토류 망간 산화물의 격자구조
(좌) 희토류 망간 산화물의 구성 원소(단위 격자, 빨간색 : 망간, 파란색·초록색 : 산소).
(우) 평면상에 나타낸 망간의 2차원 삼각격자 배열.

▲ 스핀파-격자진동 결합에 의한 스핀동력학
(위) 실험으로 측정된 스핀파.
(아래) 스핀파(실선)와 –격자진동(점선)의 결합을 고려한 이론적 수치의 스핀파.위 그래프를 비교해 보면 실험값과 이론값이 거의 동일함을 알 수 있다.

▲ 박제근 부연구단장이 이번에 관측된 준입자에 대해 설명하고 있다.

Joosung Oh, Manh Duc Le, Ho-Hyun Nahm, Hasung Sim, Jaehong Jeong, T.G. Perring, Hyungje Woo, Kenji Nakajima, Seiko Ohira-Kawamura, Zahra Yamani, Y. Yoshida, H. Eisaki, S.-W. Cheong, A.L. Chernyshev & Je-Geun Park. Spontaneous decays of magneto-elastic excitations in non-collinear antiferromagnet (Y,Lu) MnO₃. Nature Communications 2016. DOI: 10.1038/ncomms13146.