나노기술 및 정책 정보

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교토(京都)대학 대학원 이학연구과, 미국 콜로라도대학(University of Colorado) 등의 국제 공동 연구그룹이 이리듐 원소를 포함하는 특정 종류의 산화물에 있어 ‘아나폴(anapole)’이라는 극이 없는 나노 전자석이 형성되어 있음을 발견함.

물질 중에서 나노미터 스케일의 미약한 전류가 자연 발생하여, 원자 사이를 닫힌 루프 모양으로 흐른다는 지금까지 확인된 적 없는 새로운 전자 상태임.

연구진은 이리듐 원소를 포함하는 산화물인‘Sr2Ir1-xRhxO4’라는 물질에 주목했는데, 이 물질은 온도를 차갑게 하면 전자가 결정화된 모트 절연체가 되어 이리듐 원소를 로듐 원소로 바꾸어 전자 밀도를 바꿈으로써 전자의 결정화 온도를 제어할 수 있음.

연구팀은 아나폴 질서를 검출하기 위해 아나폴 모멘트로 인해 특징지어지는 전자 상태의 방향성을 검출하는 것을 고안, 자기 토크 측정(초고감도로 자기적 성질의 방향 의존성을 알아낼 수 있는 실험)과 탄성 저항(물질을 신축시켰을 때 나타나는 전기 저항의 변화)을 조사함.

그 결과, 아나폴 질서의 출현에 따라 발생하는 전자 상태의 방향성을 검출하고, 또한, 아나폴 질서를 만들어내는 루프 전류의 패턴을 특정하는 데 성공함. 이것은 아나폴 질서가 물질 중에서 실현되고 있는지를 확인하고, 그 상세 내용을 규명한 최초의 연구 결과임. 본 연구 성과는 물질 중 세계에서 전자의 결정이 융해될 때, 양자 역학적 다체효과(many-body effect)는 단일 분자의 전기적 특성들을 이에 의해 지금까지 알려져 있지 않은 전자 상태가 출현하는 것을 시사함.

향후, 이 외에도 우리가 모르는 전자 상태와 그에 따른 새로운 물리 현상이 물질 중에서 발견될 수 있을 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Physical Review X(Bond directional anapole order in a spin-orbit coupled Mott insulator Sr2(Ir1-xRhx)O4)에 게재됨.