▲ 박제근 부연구단장

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질 연구단 박제근 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수‧사진) 연구팀이 개척한 '자성 반데르발스 물질(Magnetic Van Der Waals Material)'분야 연구에 세계 최고 권위 학술지 네이처(Nature)가 주목했다.

'자성 그래핀'으로도 불리는 자성 반데르발스 물질이 70년이 넘도록 이론으로만 예측돼 온 2차원 물질의 비밀을 풀 열쇠라는 것이 골자다.

▲ 해당 리뷰논문이 실린 네이처誌 표지
(출처: Nature)

박제근 부연구단장은 케네스 버크 미국 보스턴대 교수, 데이비드 만드러스 미국 테네시주립대 교수와 함께 자성 반데르발스 물질의 등장이 물리학계에 미친 영향을 소개하고, 향후 응용 가능한 분야를 제시한 리뷰논문을 '네이처' 11월 1일자 [Perspective] 코너에 실었다.

[Perspective]는 세계 과학계에 반향을 일으키고 있는 분야를 선정해, 이 분야를 선도하고 있는 연구자의 고견을 듣는 코너다.

얼음과 물의 차이처럼 같은 물질이라도 차원(Dimension)이 달라지면 이전과는 전혀 다른 새로운 특성이 나타난다. 다이아몬드(3D)와 그래핀(2D)에서 볼 수 있듯, 과학자들이 만들어낸 2차원 물질은 이제껏 상상 못한 새로운 물성을 지닌 경우가 많았다.

2차원 물질의 특성을 설명하기 위해 과학자들은 이론적 모델을 세우고, 이를 실험으로 검증하려 하고 있다. 대표적인 모델은 세 가지로 아이징 모델(Ising Model), XY 모델(XY Model), 하이젠베르크 모델(Heisenberg Model)이 있다. 각 모델과 관련해 모두 노벨상이 수여됐을 정도로 학술적으로 중요하지만, 모델이 제시한 현상을 직접 실험으로 검증한 경우는 드물었다.

▲ 과학자들은 스핀(자성의 기본단위)을 기반으로 2차원 물질의 물성을 설명한다. 아이징 모델(왼쪽)은 가장 간단한 형태로, 스핀이 위(↑)나 아래(↓)의 두 가지 방향 밖에 없는 경우다. XY 모델(가운데)은 스핀이 가로(x축)와 세로(y축)를 가진 평면 위에서 시계 바늘처럼 다양한 방향을 가질 수 있고, 하이젠베르크 모델(오른쪽)은 x, y, z축의 모든 방향을 가질 수 있다는 모델이다.

박 부연구단장은 2차원 자성체 분야 세계적인 석학으로 꼽힌다. 원자 한 층 두께에 자성을 구현할 수 있는 '자성 반데르발스 물질'을 세계 최초로 구현했으며, 자성 반데르발스 물질을 통해 아이징 모델을 실험적으로 관찰한 성과도 올렸다. 연구 성과는 2016년 '나노 레터스(Nano Letters)'. '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)' 등 유명 학술지에 연이어 실렸다.

당시 연구진은 그래핀에서 아이디어를 얻어 2차원 자성 반데르발스 물질을 탄생시켰다. 그래핀은 덩어리 형태의 흑연에 테이프를 붙였다 떼 만든 탄소 원자 한 층 구조의 2차원 물질이다. 연구진은 흑연처럼 층상구조를 지닌 반데르발스 물질이라면 이렇게 박리해 2차원 구조를 구현할 수 있고, 자성을 가진 물질을 소재로 활용하면 자성까지 더할 수 있으리라고 생각했다. 2차원 자성 반데르발스 물질이 '자성 그래핀'으로도 불리는 이유다.

▲ 2차원 자성 반데르발스 물질 제작 모식도. 자성 반데르발스 물질은 한 층만 떼어내도 자성을 잃지 않기 때문에 물질의 두께 변화에 따른 자성을 연구할 수 있다.

물질의 자성은 스핀의 방향에 따라 결정된다. 가령 모든 스핀의 방향이 한쪽으로만 정렬되면 강자성체, 인접한 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬된 경우 반강자성체가 된다. 하지만 2차원 물질의 경우 일정 온도 이상에서는 스핀의 정렬이 풀리며 갑자기 자성을 잃는 '자성 상전이' 현상으로 인해 2차원 물질이 자성을 띄도록 만드는 것은 불가능한 것으로 여겨졌다.

10여년의 연구 끝에 국내에서 탄생한 2차원 자성 반데르발스 물질은 2차원 모델을 설명하는 세 모델을 모두 검증할 수 있는 테스트베드가 될 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 산업적인 응용 가치도 크다. 물리학자들이 숙원인 '두께 없는 2차원 자석'을 구현하고, 더 나아가 초소형 컴퓨터, 스핀 메모리 소자 등 기존 물리적 현상을 뛰어넘는 새로운 소자를 개발하는 이론적 토대가 되기 때문이다.

박 부연구단장은 "자성 반데르발스 물질은 다른 2차원 물질과의 조합을 통해 기존에 없던 완전히 새로운 소재로 바뀔 수 있어 그 쓰임이 무궁무진하다"며 "자성 반데르발스 물질 연구는 이제 막 태동한 신생 분야로, 이번 [Perspective] 논문 게재는 국내에서 개척한 연구가 세계적인 주목을 받고 있다는 것을 증명했다는 의미가 있다"고 말했다.

▲ 2차원 자성 반데르발스 물질은 응집물질 물리학 분야에서 주목해 온 여러 모델을 검증할 수 있는 열쇠가 될 것으로 기대된다.

강상관계물질 연구단은 2차원 자성 반데르발스 물질을 이용해 이징 모델을 규명한 데 이어, 현재 2차원 XY모델을 검증한 연구 성과를 논문으로 투고해 심사 중에 있다. 이와 함께 하이젠베르크 모델에 대한 연구와 2차원 자성현상을 실시간으로 관찰하는 연구도 병행 중이다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬