새로운 스핀 구조를 드러내는 다중강성 물질 :: 산업뉴스

일본 이화학 연구소(RIKEN) 신생 물질 과학부서의 Youtarou Takahashir가 이끄는 연구진이 마그네토키랄 이색성(magnetochiral dichroism)이라는 새로운 현상을 시연했다. 이는 빛이 자화의 방향과 역평행하거나 평행하게 전파하는 것을 방지하는 것이다. 다중강성 ‘헬리마그네트, helimagnet’인 갈륨이 도핑된 구리 철 산화물 내에서 이루어진 이 발견은 기가헤르츠와 테라헤르츠 주파수에서의 빛 제어에 새로울 가능성을 이끌 수 있을 것이다. 다중강성(Multiferroic) 물질은 자기 질서와 강유전성(ferroelectricity)이라는 전기 편극 속성 모두를 드러낸다. 이러한 속성은 다중강성 격자 내 전자의 ‘스핀’ 분극에 의해 결정된다. 과학자들은 최근 특히, 헬리마그네틱(helimagnets)이라고 불리는 나선형 스핀 구조를 가진 다중강성 물질에 많은 관심을 쏟고 있다. 이론은 이러한 물질내의 나선형 스핀과 자화의 결합이 마그네토키랄 이색성(magnetochiral dichroism)이라고 부르는 새로운 자전기 결합 형태를 이끌어낼 수 있다고 예측한다. 이는 나선형이나 비대칭 전기 및 자기 편극이 물질을 통과하는 빛과 상호 작용할 수 있는 역동적인 전자기를 형성하기 위하여, 결합함을 의미한다.

산화물과 혼합하는 다중강성은 철 이온에 둘러싸인 교환 상호 작용과 기하학적 장애물 간의 경쟁으로 말미암아, 세로 방향의 나선형이나 원뿔 모양의 나사형 스핀 구조를 가진다(그림1). 원뿔 모양의 스핀 구조는 전자 비대칭성과 자화를 제공하는데, 이는 마그네토키랄 이색성을 위해 필요한 것이다. 이 물질 내의 갈륨을 포함한 비-자기 요소는 스핀 구조를 안정화하는데 도움을 주며, 이는 새로운 광학 현상을 구동하는 데 필요하다. 연구진은 테라헤르츠 분광기를 사용하여, 다중강성 물질을 검사하면서, 전자 키랄성 반전, 또는 마그네토키랄 이색성 방향이 뒤바뀐 자화를 발견했다. 그들은 또한 마그네토키랄 이색성의 방향에 반대하는 빛의 전파가 기가헤르츠와 테라헤르츠 주파수에서 높은 소광 계수와 흡수력으로 상당히 억제된 것을 발견했다.

이 연구 결과는 갈륨이 도핑된 구리 철 산화물과 같은 다중강성 물질이 새로운 방식으로 전자기파의 전파를 제어하는데 사용될 수 있음을 제안했다. 이는 오직 한 방향으로만 빛 전송을 허용하는 분리 장치나 광학 장비 개발에 큰 영향을 미칠 것이라고 연구진은 밝혔다. Takahashi는 자기 원평광 이색성(magnetic circular dichroism)과 같은 지향성 이색성의 여러 형태와는 달리, 마그네토키랄 이색성은 이 원뿔형 나사 스핀 구조를 가진 다중강성 물질의 일반적 속성이 될 가능성이 있으며, 일렉트로마그논 공명(electromagnon resonance)이라고 알려진 광학적으로 활성화된 회전 파동 자극을 통해 일어날 수 있다고 밝혔다. “이 다중강성 물질은 400%에 이른 소광 계수(extinction coefficient)를 가진다. 우리의 연구 결과는 분리 장치나 제어 필터 장치와 같은 기가헤르츠와 테라헤르츠 광학 장비 개발에 새로운 길을 열었다”라고 Takahashi가 말했다.