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| 한양대 조준형 교수팀, 이리듐 산화물에 전기가 흐르지 않는 원인 밝혀내 |
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| 실리콘 대체할 신물질의 기초물성 이해 및 활용성 확대에 기여 |
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한국에너지절약신문 
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| ▲ 칼슘 이리듐 산화물(CaIrO3)의 구조. (사진제공=한국연구재단) © 한국에너지절약신문 | | 국내 연구진이 물리학에서 신물질로 각광받는 이리듐 산화물(CaIrO3)에서 실험적으로 관찰되던 전기가 흐르지 않는 원인을 새롭게 밝혀내 학계의 관심을 끌고 있다.
한양대 조준형 교수와 김선우 연구원은 미국 아이오와대학 연구팀과 국제공동연구를 수행했으며, 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원)과 KISTI 슈퍼컴퓨팅 연구지원사업의 지원으로 수행되었고, 물리학 분야 최고 권위지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 최신호(8월 28일, 논문명 : Nature of the insulating ground state of the 5d postperovskite CaIrO3))에 게재되었다.
이 논문의 제1저자는 한양대 석박통합과정 김선우 연구원이며, 교신저자는 한양대 조준형 교수이다.
새로운 물리적 현상을 보이는 신물질에 대한 연구는 응집물질물리학 분야에서 초미의 관심사이다. 최근 응집물질물리학 분야에서 핫이슈 중의 하나는 스핀-오비탈 결합에 의해 형성되는 다양한 양자 상태를 연구하는 것인데, 이리듐 산화물은 그 중 대표적인 모델 물질로 많은 주목을 받아 왔다.
응집물질물리학은 고체, 액체와 같은 응집 상태의 물리적인 특성을 연구하는 물리학의 한 분야로, 현대 물리학에서 가장 활발히 연구되고 있는 분야이다.
스핀-오비탈 결합은 전자의 스핀과 오비탈 운동 간의 상호작용을 나타내며, 원자나 고체에서 전자의 상대론적 효과를 보여주는 대표적인 현상이다. 원자번호가 클수록 세기가 강함이 알려져 있다.
이리듐 산화물 중의 하나인 칼슘이리듐 산화물(CaIrO3)은 낮은 온도에서 전기가 흐르지 않는 성질(절연체)을 보이는 것이 실험적으로 관찰되었는데, 이제까지 그 원인으로는 이리듐 원자의 강한 스핀-오비탈 결합으로 전자들이 움직이지 않는 현상(모트 절연체)로 받아들여졌다. 즉, 음전하를 가지는 전자들 사이에 서로 밀어내려는 힘(척력)이 강해 전자들의 움직임이 방해되어 전기가 흐르지 않는다는 것이다. 그러나 이러한 현상에 대해서 슬레이터 절연체일 수 있다는 주장이 제기되어 연구계에서 많은 논란이 있었다.
슬레이터 절연체란 전자의 스핀이 인접한 스핀과 반대로 정렬하는 반강자성 상태가 됨으로써 전자들이 이동하지 못하는 절연체 상태이다.
연구진은 이 현상이 슬레이터 절연체일 수 있다는 가설 하에 이를 입증하기 위한 연구에 착수했다. 연구진은 절연체 안에 있는 전자들의 상태를 양자역학 이론을 적용하여 컴퓨터 계산을 시행하였다. 그동안 고체의 전자구조 계산 시뮬레이션 분야에서 개발되었던 다양한 수치적 방법(밀도범함수이론과 동적평균장이론)을 이용하여, 전자들 사이의 상호작용에 대한 체계적인 분석 연구를 수행하였다. 그 결과 칼슘 이리듐 산화물의 절연체 상이 슬레이터 절연체임을 새롭게 증명했다.
밀도범함수이론은 실험데이터 없이 양자역학에 기초하여 물질 내에 있는 전자밀도 정보만으로 물질의 전자구조와 물성을 계산할 수 있는 이론이다.
동적평균장이론은 전자 간 강한 상호작용을 하는 물질(강상관계)에서의 전자 간 상호작용을 효과적으로 분석할 수 있는 이론이다.
연구진은 이리듐 산화물에서 전기가 흐르지 않는 원인이 모트 절연체가 아닌 슬레이터 절연체 상태이기 때문임을 밝혀냈다. 즉, 절연체 상의 원인은 전자들 사이의 척력 때문이 아니라 전자가 갖는 스핀의 방향이 고정되기 때문이라는 것이다.
많은 논란이 되었던 이리듐 산화물의 절연체 상의 원인을 새롭게 규명함으로서, 이리듐 산화물의 기초 물성을 이해하는데 새로운 전기를 마련하게 되었다.
한편, 이번 연구에 참여한 조준형 교수는 “이리듐산화물은 전기와 자성을 동시에 띠기 때문에 물질 조성에 따라 금속, 반도체, 초천도체, 자성체로 폭넓게 쓰일 수 있어 실리콘을 대체할 신물질로 각광받고 있다. 이번 성과는 이리듐 산화물의 기초물성을 이해하고 기술·산업적 활용성을 높이는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.
/ 한국에너지절약신문 인터넷부 엄재성 기자 news@energysavingnews.kr
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| 기사입력: 2015/08/28 [16:54] 최종편집: ⓒ 한국에너지절약신문 |
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