국내 연구팀이 빛으로 자성반도체 물질의 특성을 바꿀 수 있는 양자역학적 현상을 발견했다.

빛 변화로 물질의 특성을 설계할 수 있는 이론적 실마리를 마련해 새로운 반도체나 자기광소자 개발 등에 응용할 수 있다는 기대가 나온다.

김재훈 연세대 물리학과 교수와 박병철 기초과학연구원(IBS) 이차원 양자 헤테로구조체 연구단 팀리더 공동연구팀은 2차원 물질인 삼황화린철(FePS₃)에서 빛에 의해 일어나는 양자간섭이 '자발적 대칭성 붕괴'의 기원이 되는 것을 밝혀냈다고 20일 밝혔다.

자발적 대칭성 붕괴는 이론적으로는 대칭성이 있지만 현실에서는 대칭성이 깨지며 질량이나 자성 같은 물리 시스템에서 발생하는 특성을 만드는 현상이다.

우주 기본 입자들에 질량을 부여하는 핵심 이론인 '힉스 메커니즘' 주요 개념 중 하나기도 하며, 고체물리 분야에서는 자성이 없던 금속이 특정 온도에서 자성을 띠는 것처럼 물질이 특정 위상을 스스로 선택하는 다양한 상전이를 설명할 수 있는 개념이기도 하다.

연구팀은 특정 온도 이하에서 자성 스핀 배열이 반강자성을 띠는 대표적 2차원 자성체인 삼황화린철에 주목했다.

반강자성은 인접한 원자의 자기 모멘트들이 서로 반대 방향으로 향해 전체적으로 자력을 띠지 않는 성질이다.

연구팀은 이 물질에 빛을 쪼이면 전자가 빛의 에너지를 받아 궤도를 바꾸는 전이가 동시에 일어나면서 양자역학 현상 중 하나인 양자간섭을 일으키고, 그 결과 전자 분극의 위상이 변화한다는 것을 실험으로 확인했다.

특히 원자핵 또는 전자의 각운동량인 스핀의 방향에 따라 분극 위상이 다르게 나타나는 것을 연구팀은 확인했다.

연구팀은 이 결과가 물질이 빛 편광상태에 따라 다른 특성을 보이는 현상인 '광학적 이방성'을 보이는 이유를 설명한다고 밝혔다.

이런 광학적 이방성과 위상 변화는 기본입자에 질량을 부여하는 역할을 하는 '멕시칸 모자 포텐셜'과 비슷한 구조로 이해할 수 있어, 이 시스템이 자발적 대칭성 붕괴를 보이는 물리 시스템으로 해석 가능하다고 연구팀은 분석했다.

이는 화학반응이나 기계적 변형 없이도 빛만으로 물질 내부의 전자나 스핀 자유도를 제어할 수 있음을 뜻한다고 연구팀은 설명했다.

김 교수는 "빛과 물질 간 상호작용이 단순한 에너지 전이 수준을 넘어, 물질 자체의 위상이나 대칭성을 어떻게 새롭게 설정할 수 있는지 보여준 사례"라며 "적절한 파장과 세기의 광원을 이용한다면, 전자궤도 점유도나 스핀 배향을 원하는 형태로 재설계할 수 있다"고 말했다.

이어 그는 "분극의 위상 변화를 유발하는 양자간섭 메커니즘을 더 넓은 물질군으로 확장하면 양자 정보소자나 자기광학소자 분야 전반에 걸쳐 새로운 아이디어가 될 수 있다"고 설명했다.

심경익 연세대 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 지난달 11일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.