[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자성1)은 여러 분야에서 폭넓게 쓰이고 있다. 모터, 발전기와 같은 기계적 장치부터 하드디스크, 강자성2) 메모리와 같은 전자 장치에 이르기까지 여러 산업 분야에서 다양한 역할을 한다. 기존 자성을 만드는 재료는 값비싼 희토류 자석이라, 이를 대신할 강력한 영구자석을 찾으려는 다양한 시도가 있다. 대표적인 대안은 ‘원자 수준의 얇은 자성 물질(2차원 자성체)3)을 찾는 것’이므로, 자성의 근원이 되는 물질의 스핀(spin)4)을 이해하는 것이 중요하다.

‘이차원 자성’이라고도 일컬어지는 초박막 자성 물질은 응용 가능성이 크지만, 물리적으로 불안정해 존재할 수 없다고 알려져 있다. 그런데 이런 통념을 깰 수 있는 실험이 보고됐다. 여기에서는 ‘스핀-궤도 상호작용5)’에 의한 자기이방성의 존재를 이용하고 있다. 따라서 이차원 자성 물질의 효과적 응용을 위해서는, 자발적 자화6)의 원인과 자기이방성7)의 조절 가능성에 관한 연구가 필요하다.

2. 연구내용

물질계의 양자역학 수준의 특성을 알기 위해서는 슈뢰딩거 방정식8)을 풀어야 한다. 그러나 실제 수준의 분자나 고체 시스템은 수많은 입자로 이뤄져 있어 이를 정확하게 풀어내는 것은 불가능에 가깝다. 이를 해결하기 위해 물리 및 화학의 여러 연구 분야에서는 그 목적에 맞는 다양한 수준의 계산방법이 개발됐다.

그 중 ‘범밀도함수이론(Density-functional theory, DFT)9)’은 복잡한 다전자계를 홀입자계로 치환한 콘-샴(Khon-Sham) 방정식을 풀어 시스템의 기저상태를 서술할 수 있다. 즉, 기본적인 전자구조와 자성구조 등을 크게 벗어나지 않는 화학반응을 계산하는 데 유용한 이론인 것이다. 그러나 DFT는 빛 같은 외부 자극으로 인해 기저상태를 벗어나는 전자나 스핀의 들뜸 같은 동역학은 기술하지 못한다. 이를 보완하기 위해 콘-샴 방정식을 실시간으로 풀어내는 ‘실시간 시간의존적 범밀도함수이론(real-time time-dependent DFT, rt-TDDFT)’이 제시됐다.

TDDFT를 정확히 기술하기 위해서는 ‘교환-상관(exchage-correlation) 항10)’이 정확히 기술돼야 한다. 우리 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 rt-TDDFT 계산방법에 전자 대 전자 교환-상관 항을 ‘허바드 유 포텐셜(Hubbard U potential)11)’ 형태로 넣는 방법을 연구했고, 구체적인 알고리즘 2가지를 발표했다. (Shin et. al. J. Chem. Theory. Comput. 2016) 이에 더해, 시간 의존적 콘-샴 방정식을 이용해 빛과 물질 사이의 상호작용을 기술하기 위해 벡터 포텐셜로 기술되는 전기장을 도입했다. 이 방법으로는 서큘러 폴라리제이드(circular-polaized) 전기장 내에서 스핀-포논 동역학을 이차원 물질의 대표인 이산화황화 망가니즈에서 관찰했으며 (Shin et. al. Nat. Commun. 2018), 시간에 따라 변화하는 파동함수로 전류 기댓값(current expectation value)을 기술해 위상 부도체에서 스핀 전도도를 통해 양자-스핀 홀 효과를 갖는 물질인지 판단했다. (Shin et. al. PNAS 2019).

우리 연구팀은 본 연구에서 자기이방성의 원리를 바탕으로, rt-TDDFT를 이용해 빛 또는 전기장 등을 활용해 자기이방성을 500% 이상 제어할 수 있음을 보였다. 이를 활용해 자성 소자의 쓰기 에너지를 거의 0에 가깝게 만드는 방법을 제시해, 초저전력 자성 소자의 기반 기술을 제공할 것으로 기대된다.

3. 기대효과

매우 작은 두께를 가지는 초소형 자석을 초고속으로 제어할 방법을 제안함으로써, 현존하는 메모리를 대체할 고밀도 자기 정보 소자의 구현을 크게 앞당길 것으로 기대된다. 이들 자기 정보 소자는 기존의 RAM과는 달리 전력을 공급하지 않아도 정보가 유지되므로, 기존보다 훨씬 에너지를 덜 소모하는 고효율 소자가 될 전망이다.

또한, 여러 가지 상황에서 자성체의 자기적 성질을 계산할 수 있는 이론적인 방법을 고안함으로써, 향후 관련 연구 분야의 진보에 크게 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 자성(magnetism)

물질이 나타내는 자기적인 성질을 말한다. 양자역학적 현상으로 전자의 스핀 쌍극자와 궤도 쌍극자에 의한 자기 쌍극자 모멘트를 의미한다.

2. 강자성(ferromagnetism)

외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질적 성질. 우리가 흔히 보는 자석은 강자성을 갖는 물질이다.

3. 이차원 자성체(2-dimensional magnetic materials)

층상구조의 벌크 물질에서 단층으로 박리시켰을 때 자기정열이 관측되는 물질을 말한다. 아주 얇은 자석으로 볼 수 있다.

4. 스핀(spin)

양자역학적 개념으로 입자마다 갖는 고유한 양자수이다. 예를 들어, 전자는 1/2의 스핀 양자수를 갖는다. 전자의 자전운동에 비유된다.

5. 스핀-궤도 상호작용(Spin-orbit interaction)

어떤 입자의 스핀과 입자사이의 움직임의 상호작용을 상대론적으로 기술한 개념. 전자의 자전운동과 공전운동의 상호 작용으로 볼 수 있다.

6. 자화(magnetization)

외부 자기장에 의해 내부의 자기 쌍극자 모멘트가 생기거나 반응하는 것. 바늘을 자석에 문지르면 바늘이 자화되어 다른 금속이 바늘에 달라붙는 현상이 나타난다.

7. 자기이방성 (magnetic anastrophy)

자성체의 내부 에너지가 자화하는 방향에 따라 다른 것. 내부 에너지가 가장 낮아지는 방향은 가장 자화되기 쉽다.  

8. 슈뢰딩거 방정식(Schrödinger equation)

양자역학계를 알기 위해 풀어야 하는 방정식. 슈뢰딩거 방정식은 비상대론적 양자역학적 계의 시간에 따른 진화를 나타내는 선형 편미분 방정식이다

9. 범밀도함수이론(Density functional theory, DFT)

전자가 느끼는 포텐셜을 평균장 이론을 사용하여 양자역학으로 계산하기 위한 이론. 전자가 들어 있는 모양과 그 에너지를 알 수 있다.

10.교환-상관(exchange-correlation)항

전자-전자 사이의 에너지 주고받음과 상관관계에 관한 에너지를 포텐셜로 나타낸 항

11. 허바드 유 포텐셜(Hubbard U potential)

고체물리계의 근사 모델 중 하나로 전도 시스템과 절연 시스템 사이의 전환을 설명하기 위해 제시되었다.

[붙임] 그림설명

그림1. 이차원 자성 물질인 CrI₃의 자성 방향을 조절하는 방법을 표현한 모식도. (좌측) 다른 이차원 물질인 그래핀과 접합하고 외부 전기장을 쪼여 연속적이고 되돌릴 수 있는 자성의 조절이 가능하다. (가운데) 자성의 방향이 시간에 따라 변하는 것을 선형 그래프로 보여준다. (우측) 외부 빛(전기장)을 통해 들뜬 전자 상태를 만들면 자성의 방향을 조절할 수 있다.