국제 공동연구진이 물질의 전기적 성질에 자기적 성질이 직접 나타나는 새로운 현상을 발견했다. 메모리의 집적도를 높일 수 있는 원리가 될 수 있어 차세대 고집적 메모리 소자 및 초저전력 자기센서 개발이 크게 앞당겨질 것으로 기대된다.

서울대 물리천문학부 김기훈 교수의 주도로 서울대 물리천문학과 김재욱 박사(제1저자), 김승현 박사, 천세환 박사 및 성균관대 물리학과 한정훈 교수 등이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행됐다.

고자기장과 이론 연구를 위해, 미국국립고자기장연구소, 럿거스 대학, 로스알라모스국립연구소가 참여한 이 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 온라인판 7월 29일자 온라인판에 게재됐다.(논문명 : Manifestation of magnetic quantum fluctuations in the dielectric properties of a multiferroic)

전세계적으로 전기-자기 상호작용이 자주 나타나는 다강체를 이용하여 차세대 메모리 소자를 개발하려는 연구가 활발하지만 이같은 상호작용을 정확히 설명하지 못하고 있었다. 다강체(多强體)는 전기적 성질과 자기적 성질이 강하게 결합된 물질로 전기장 또는 자기장으로 성질을 조절할 수 있는 물질. 고집적 메모리, 초저전력 자기센서 등에 응용될 수 있다.

그간에는 전기장과 자기장이 공간에서 파동으로 동시에 진행하는 빛과 달리, 물질 내부에서는 전기성과 자성은 서로 무관하게 생성되고 간접적으로만 약하게 작용하는 것이 정설이었다. 하지만 연구진은 다강체에서 N-S극 같은 자극*과 전기분극이 서로 생성되는 순간부터 직접적으로 비례하며 발현됨을 발견하고 원리를 밝혀냈다.

연구팀은 코발트 이온이 함유된 다강체 물질(Ba2CoGe2O7)에 높은 자기장을 가해 자극이 발현되도록 조절해 주었다.  연구진이 이 특이점에서 자극과 전기분극이 초기에 생성될 때의 상호관계를 정확히 측정한 결과 전기분극과 자극이 서로 정확히 비례하는 관계를 유지하고 있음을 밝혔다.

다강체에서의 강한 전기-자기성 결합이 작거나 미미하지 않고, 매우 크게 나타날 수 있다는 새로운 상식을 정립한 것으로 평가된다. 그만큼 고집적 메모리 소재 및 초저전력 자기센서로의 응용이 기대되는 다강체의 실용화 가능성을 한 단계 높일 것으로 기대된다.

김기훈 교수는 “다강체의 전기적 성질에 자기 성질이 직접적으로 발현될 수 있는 미시적 근거를 밝힌 것으로, 이 물질계에 대한 물성 이해와 실용화 가능성을 동시에 높인 성과”라고 밝혔다.