서울대학교

- 2차원 자성 반데르발스 물질 NiI2에서 양자 얽힌 자성 다체 엑시톤 발견 -
- 어드밴스드 머티리얼스誌 논문 게재 -

서울대학교 자연대 물리천문학부 박제근 교수 연구진은 연세대 김재훈 교수 연구진과 자성을 띈 새로운 2차원 물질(니켈 다이아이오다이드, 이하 NiI2)에서 양자 얽힘 현상을 발견하고, 세계적인 재료학술지인 어드밴스드 머티리얼스에 발표하였다.

박제근 교수는 이런 양자얽힌 상태에서 결맞음성이 높은 엑시톤을 발견하였다. 엑시톤은 자유전자와 양공이 전기적 결합으로 묶여 있는 준입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 요소로 거론된다.

NiI2는 자성과 강유전성을 동시에 가지는 다중강성 물질로서 얇은 2차원 층으로 분리될 수 있는 자성 반데르발스 물질이다.

연구진은 광흡수, 공명 비탄성 X선 산란 실험을 통해 NiI2에서 자성과 강유전성과 관련된 엑시톤을 관측하였다.

박제근 교수 연구진은 양자역학적 다체 이론으로 엑시톤 실험결과를 설명하고, 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.

이번 발견은 2차원 자성 반데르발스 물질인 NiPS3(삼황화린니켈)에 이어 두 번째‘양자 자성 다체 엑시톤’의 발견으로, 양자 얽힌 엑시톤을 연구할 수 있는 2차원 자성 물질의 저변을 넓혔다.

박제근 교수 연구진은 NiPS3(삼황화린니켈)에서의‘양자 자성 다체 엑시톤’을 세계 최초로 발견하여 2020년 세계적 학술지 네이처誌에 게재한 바 있다. 이번에는 또 다른 자성 반데르발스 물질인 NiI2(니켈 다이아이오다이드)에서 두 번째 양자 얽힌 엑시톤 발견으로 박제근 교수 연구진이 이 분야에서 선도적인 위치에 있다는 것을 증명하였다.

NiI2는 NiPS3와‘양자 자성 다체 엑시톤’을 가지고 있다는 점에서 공통점을 갖는다. 하지만 NiPS3와 달리 니켈 이온이 삼각 격자를 이루고 있으며, NiPS3보다 복잡한 자성 구조를 가지면서 그와 동시에 강유전성을 띤다는 특징이 있다. 따라서 NiI2의 엑시톤은 NiPS3의 엑시톤과 다른 메커니즘으로 작동한다.

박제근 교수는“이번 발견은 양자과학기술에서 핵심적인 양자얽힌 양자물질이 지금까지 알려진 것보다 훨씬 더 광범위하게 있음을 보였다”며 연구 의미를 설명하였다. 이번 NiI2의 자성과 강유전성이 양자 얽힌 엑시톤 발견은 양자정보기술에 응용될 수 있을 것으로 예상된다.

[연구결과]

Multiferroic enabled magnetic-exciton in 2D qunatum entangled van der Waals antiferromagnet NiI2
Suhan Son#, Youjin Lee#, Jae Ha Kim#, Beom Hyun Kim#, Chaebin Kim, Woongki Na, Hwiin Ju, Sudong Park, Abhishek Nag, Ke-Jin Zhou, Young-Woo Son, Hyeongdo Kim, Woo-Suk Noh, Jae-Hoon Park, Jong Seok Lee, Hyeonsik Cheong, Jae Hoon Kim*, Je-Geun Park*
(Advanced Materials, in press)

물질과 빛의 상호작용은 양자광학부터 응집물질물리학에 이르기까지 다양한 연구 분야의 중심에 있으며, 레이저 물리학과 같은 새로운 분야를 개척하고 있다. 그 중, 자기 절연체에서 발견되는 자기 엑시톤은 매우 드문 예 중 하나이다.

이번 연구는 반데르발스 반강자성 NiI2(니켈 다이아이오다이드)에서 자기 상전이가 자기 엑시톤을 활성화할 수 있다는 획기적인 보고를 하였다. 즉, 2차원 자성 반데르발스 물질인 NiI2에서 자성과 밀접하게 연결되어 있는 ‘양자 자성 다체 엑시톤’을 발견하였다. 엑시톤이란 전자와 양공으로 이루어진 준입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자 광원이 필요한 양자 정보 통신에 중요한 요소로 거론된다. 연구진은 광 흡수 실험을 포함한 여러 실험과 다체 이론 계산을 통해 NiI2에서 쟝-라이스 양자 다체 상태로부터 엑시톤이 구현된다는 사실을 증명하였다.

이번 발견은 2차원 자성 반데르발스 물질인 NiPS3(삼황화린니켈)에 이어 두 번째로, 양자얽힘이 핵심적인 역할을 하는‘양자 자성 다체 엑시톤’의 발견이다. 이는 양자 현상을 연구할 수 있는 2차원 물질의 저변을 확대한 획기적인 연구라 할 수 있다. 더 나아가 이 연구를 통해 NiI2가 본질적으로 양자 얽힌 바닥 상태로 자기적으로 정렬된 2차원임을 증명하였다.

[용어설명]

[그림설명]

[그림 1] NiI2(니켈 다이아이오다이드)의 결정구조

실험에 사용한 2차원 자성 반데르발스 물질. 각 층은 니켈 원자가 삼각형 구조로 이뤄져 있으며, 약한 층간 결합 (반데르발스 결합)을 덕분에 쉽게 층을 분리할 수 있다. 스핀의 방향이 고정되어 있지만, 전체적으로 스핀의 총합이 0이 되는 반강자성 물질이다.

[그림 2] NiI2에서 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호

(a) 광자의 에너지에 따라 흡수된 빛을 측정한 결과로 엑시톤의 증거이다. (b) 이렇게 얻은 흡수스펙트럼은 매우 좁은 폭으로 분포한다. 이는 결맞음이 상당히 크다는 것을 의미한다. (c) 온도에 따라 흡수 계수의 2차 미분을 하여 자기상전이 (60 K) 아래에서만 매우 좁은 폭의 흡수 스펙트럼이 관측되었다. 즉, 자기상전이와 엑시톤의 관계를 증명한다.

[그림 3] NiI2에서 X선 흡수 스펙트럼과 공명 비탄성 X선 산란 실험. 다체계산 결과

(a) X선 흡수 스펙트럼 실험 결과와 이론 계산결과. (b), (c) 공명 비탄성 X선 산란 실험을 통해 X선 에너지 850.7 eV에서의 공명 비탄성 X선 산란 실험결과로서 실험값과 이론값 비교.