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김재훈 교수팀
김재훈 교수팀, 2차원 반강자성체에서 '광양자간섭' 기반 자발적 대칭성 붕괴 현상 발견 반데르발스(van der Waals) 자성반도체에서 빛(광자)에 의해 유도되는 양자간섭 발견… 물질 내 대칭성 붕괴의 새로운 양자역학적 기원 제시
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사진 1. (왼쪽부터) 김재훈 교수, 성균관대학교 박병철 박사, 심경익 박사
우리 대학교 물리학과 김재훈 교수 연구팀이 성균관대학교 기초과학연구원(IBS) 이차원 양자 헤테로구조체 연구단 박병철 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 2차원 반강자성체인 FePS₃에서 광자에 의해 유도되는 ‘양자간섭(quantum interference)’이 전자 분극의 위상을 변화시키고, 이로 인해 ‘자발적 대칭성 붕괴(spontaneous symmetry breaking)’가 발생함을 밝혀냈다.
자발적 대칭성 붕괴는 우주의 기본 입자에 질량을 부여하는 힉스 메커니즘(Higgs mechanism)에서 핵심적인 개념으로, 고체물리 분야에서는 초전도체나 자성체의 상전이 현상을 설명하는 이론적 기반으로 주목받아 왔다.
연구팀이 주목한 FePS₃는 특정 온도(Tₙ, 닐 온도) 이하에서 반강자성(antiferromagnetic) 스핀 배열을 형성하는 대표적인 2차원 자성체다. 연구진은 이 물질에 빛을 조사한 결과, 여러 d-전자 궤도 간 전이(d–d transition)가 동시에 일어나면서 양자간섭이 유발되고, 이에 따라 전자 분극의 위상이 변화하는 현상을 관측했다. 특히 스핀 배열 방향에 따라 분극 위상이 달라지는 특성을 통해, FePS₃의 강한 광학적 이방성(anisotropy)의 원인도 함께 규명했다.
또한 연구팀은 이러한 광학적 이방성과 위상 변화가 초전도체 등에서 논의되는 '멕시칸 모자(Mexican hat) 포텐셜' 구조와 유사함을 확인했다. 이는 양자간섭에 의해 전자 분극의 위상이 변화하고, 물질이 여러 가능한 위상 중 하나를 스스로 선택함으로써 자발적 대칭성 붕괴가 일어나는 물리적 메커니즘으로 해석할 수 있음을 의미한다. 이를 통해 별도의 화학 반응이나 기계적 변형 없이, 빛만으로 물질 내 전자 및 스핀 자유도를 능동적으로 제어할 수 있는 가능성이 제시됐다.
김재훈 교수는 "이번 결과는 빛과 물질 간 상호작용, 특히 양자간섭이 단순한 에너지 전이 수준을 넘어 물질 자체의 위상·대칭성을 어떻게 새롭게 설정할 수 있는지 보여준 사례"라며, "적절한 파장과 세기의 광원을 이용한다면, 전자궤도 점유도(occupancy)나 스핀 배향을 원하는 형태로 '재설계'할 수 있다."고 설명했다.
이어 "분극의 위상 변화를 유발하는 양자간섭 메커니즘을 금속이나 초전도체와 같은 더 넓은 물질군으로 확장해 추가 연구를 진행한다면, 향후 양자정보소자·자기광학소자·광반도체소자 분야 전반에 걸쳐 혁신적 아이디어가 될 수 있다."이라고 기대를 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적 학술지인 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)』에 게재됐다.
연구진
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김재훈 교수
연세대학교 이과대학 물리학
SUPER@YONSEI.AC.KR
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