스마트폰 화면 등에 쓰이는 액정(Liquid Crystal)은 액체도 아니고, 고체도 아닌 ‘뜨거운 아이스아메리카노’와 같은 상태다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단 김범준 부연구단장(포스텍 물리학과 교수) 연구팀은 양자 물질에서 액정과 유사한 물질 상을 세계 최초로 관측했다.

대부분 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상으로 존재한다. 액정을 포함한 제4의 상인 ‘네마틱’은 액체와 고체의 성질을 동시에 갖는다. 액체처럼 자유롭게 움직이지만, 고체처럼 분자의 배열이 규칙적이다. 네마틱 상이 양자역학적인 스핀¹⁾ 계에서도 존재할 것이라는 이론적 예측은 반세기 전부터 있었지만, 실제 물질에서 확인한 건 이번이 처음이다.

자석은 스핀이 한 방향으로 정렬된 고체 상태다. 자석에서 스핀은 자석의 N극과 S극이라는 두 개의 극으로 이뤄진 자기 쌍극자를 형성한다. 반면, 스핀 네마틱은 자성은 없지만 네 개의 극으로 이뤄진 사극자가 정렬되어 있는 상태다. 기존 개발된 중성자 산란 등 대부분의 실험 도구는 쌍극자에만 민감하게 설계되어 스핀 네마틱을 검출하기 어려웠다.

이 한계를 돌파하기 위해 연구진은 사극자의 존재를 빛(X선)을 이용해 직접 확인할 수 있는 새로운 장비를 설계했다. 우선, 연구진은 미국 아르곤연구소와 협업하여 공명 비탄성 X선 산란 장비(RIXS)를 4년여에 걸쳐 개발했다. 이후 포항가속기연구소 등 가속기 빔라인에 개발한 분광기를 구축하여 실험을 진행했다.

이후 연구진은 유력 고온 초전도체 후보물질로 꼽히는 이리듐 산화물(Sr₂IrO₄)에 X선을 조사하며 스핀의 거동을 관찰했다. 이리듐 산화물은 230K(-43.15℃) 이하의 저온에서는 쌍극자와 사극자가 공존했지만, 260K(-13.15℃)의 온도까지는 쌍극자가 사라져도 사극자가 남아있었다. 230~260K의 온도 범위에서 스핀 네마틱 상태로 존재한다는 의미다.

스핀 네마틱 상의 발견은 물리학자들의 숙원 과제인 스핀 액체 탐색에 도움이 될 수 있다. 공동 저자인 조길영 포스텍 물리학과 교수는 “양자컴퓨터 등 양자 정보 기술에 활용하기 위해 학계에서는 지난 수십 년간 스핀 액체를 찾으려는 노력을 지속해왔다”며 “스핀 네마틱은 스핀 액체와 공통적인 물리적 성질을 가지기 때문에 스핀 액체 탐색의 핵심 단서가 된다”고 설명했다.

더 나아가 이번 연구는 이리듐 산화물에서 고온 초전도 상이 존재할 가능성을 제시했다는 의미도 있다. 이론적으로 스핀 네마틱 상도 스핀 액체처럼 스핀 양자 얽힘을 통해 고온 초전도 현상을 나타낼 수 있기 때문이다. 연구진은 후속 연구에서 이리듐 산화물의 전자 농도를 변화시켜가며 고온 초전도 현상이 나타나는지 조사해 볼 계획이다.

김범준 부연구단장은 “RIXS는 양자 간섭을 통해 스핀 상호작용에 대한 정보를 얻을 수 있어서 엑스선 과학 분야에서 지난 10년 간 가장 주목받은 기술 중 하나”라며 “이번 연구는 국내 방사광 X선 실험 인프라 및 활용 능력이 세계적인 수준에 도달했기 때문에 가능했다”고 말했다.

연구 결과는 12월 14일(한국시간) 최고 권위의 국제학술지 네이처(Nature, IF 64.8) 온라인판에 실렸다.

그림 설명

[그림1] 사각격자 이리듐 산화물에서 쌍극자와 사극자 질서
(a) 시냅스 후 신경세포의 이온 채널 활동을 나타내는 도식.
사각격자 이리듐 산화물 Sr₂IrO₄는 저온에서 자기 쌍극자 질서를 가짐은 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 저온(오른쪽)에서 이 쌍극자(화살표)가 사극자(도넛) 질서와 공존하며, 자기 전이온도 230 K 위에서 쌍극자가 사라져도 사극자가 여전히 임계온도 263 K까지 남아있다는 사실을 밝혀냈다. 쌍극자 없이 사극자가 존재하면 스핀 네마틱이라고 할 수 있다. 사극자의 스핀 확률 밀도함수는 도넛 모양이 된다.

[그림2] 사각격자에서의 자기구조
사각격자 위에서 스핀들은 단순한 자기구조(Classical AF) 뿐만 아니라, 양자효과를 통해 단일항 중첩상태(Resonant Valence Bond; RVB) 및 양자 요동 자기구조(Quantum AF) 등의 다양한 상태를 가질 수 있다. 이 중 스핀 쌍극자와 사극자가 공존하는 상태(Canted AF + Quadrupoles)를 직접 관측해 낸 것은 본 연구가 최초다.

IBS 홍보팀
권예슬

1) 스핀: 전자의 각운동량. 전자의 운동을 태양 주위를 도는 지구에 비유할 때, 스핀은 자전에 해당한다.