70년 동안 아무도 제대로 설명하지 않은 물리학의 한 현상이 우리나라 과학자에 의해 실험적으로 규명됐다.

서강대 정현식 교수, 기초과학연구원(IBS)-서울대 박제근 교수, 서울대 박철환 교수 등  연구팀은 자성에 관한 70년 된 가설을 실험적으로 처음 증명하고, 이 내용을 최근 과학저널인 '나노 레터스'(Nano Letters)에 게재했다.

70년 동안 아무도 실험으로 설명하지 않은 현상은 ‘온사거(Onsager) 해법’이다. 박제근 교수는 “대학원 통계역학 교과서에 항상 나오는 온사거 해법이 한 번도 실험적으로 증명된 적이 없다는 것을 알고 직접 실험으로 증명하게 됐다”고 말했다.

온사거 해법은 2차원 물질에서 상전이(phase transition)가 일어난다는 가설을 말한다.  3차원 물질에서는 상전이가 쉽게 일어난다. 얼음이 녹아 물이 되는 것이 대표적이다.

그런데 2차원 물질의 경우는 어떤 현상이 벌어질 것이며, 하나의 분자로 이뤄진 1차원 물질에서는 어떤 현상이 벌어질 것인가? 이것이 물리학자들이 가진 의문중의 하나였다.

노르웨이 물리학자 온사거가 1944년 '2차원 물질 상전이 가설' 제시

독일 물리학자인 빌헬름 렌츠(Wilhelm Lenz 1888~1957)는 학생인 에른스트 아이징(Ernst Ising 1900~1998)에게 약 1세기 전에 이 질문을 던졌다.

아이징은 분자로 구성된 1차원 물질은 상전이를 겪지 않는다고 결론을 내렸다. 상전이는 분자들이 서로 결합해서 물질을 만들 때만 발생한다고 아이싱은 결론을 내렸다.그러나 2차원 물질에 대해 설명할 때는 해당되지 않았다.

1944년에 노르웨이 물리학자인 라르스 온사거(Lars Onsager 1903~1976)가 이 문제에 대한 해법을 제시했다. 그는 2차원 물질은 상전이를 겪으며, 자성의 상전이도 물론 일어난다는 ‘온사거 해법’ (Onsager Solution)을 제시했다. 이 가설은 지금까지 물리학에서 큰 영향을 미쳤던 원리 중의 하나이다.

그러나 이 중요한 물리학의 ‘온사거 해법’은 지금까지 아무도 실험적으로 증명하지 않았다.  이번에 우리나라 과학자들로만 구성된 국내 연구팀이 70년간 아무도 증명하지 못한 물리학의 중요한 해법을 실험적으로 증명한 것에 대해서 국제 과학계는 평가를 해주는 것이다.

연구팀은 온사거 해법을 증명하기 위해  철삼황화린(FePS3)을 이용했다. 철삼황화린은 고유의 자기 특성을 갖는 층상 구조물이다. 2차원에서 이 물질은 자기정렬에 의한 상전이를 연구하기에 적합하다. 연구팀은 화학증기수송법(Chemical Vapor Transport)을 이용해 철삼황화린을 양파껍질처럼 벗기고 잘라, 단일층 및 수 원자층 두께의 시료를 제작했다.

시료는 마이크로미터 크기로 매우 작아서 자성을 직접 관측하기는 어렵다. 그래서 연구팀은 대신 라만분광법(Raman spectroscopy)을 활용했다. 연구팀은 철삼황화린에 빛을 쪼이고 흩어진 라만신호를 분석하는 방법으로, 단분자층에서 자기 상전이가 존재하는 것을 세계 최초로 관측했다. 2차원 물질에서 자기정렬이 존재할 수 있음을 증명했다.

이번 실험 결과로 자성을 갖는 2차원 물질을 이용한 다양한 물리현상의 연구나 소자 제작에 큰 도움이 될 것이다.

연구팀원 중 한 명인 정현식 서강대 물리학과 교수는 “노벨 화학상 수상자(1968년)인 라르스 온사거의 예측대로 2차원 구조에서 안정된 자성 상태가 존재할 수 있다는 것을 70여 년 만에 실험으로 입증했다”고 자평했다.

정 교수는 “연구결과를 활용하면 휘어지고 유연한 자성재료의 개발이 가능할 것”이라고 말했다. 스마트워치 등 웨어러블(wearable) 기기의 센서로 적합한 구부러지는 자성 재료를 개발할 가능성이 열린 것이다.

현재 광범위하게 사용되는 전자기기에는 센서나 안테나 등 자기장을 이용하는 소자가 적지 않다. 그러나 웨어러블 기기에 적용 가능한 자성물질이 나오지 않아 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

연구 참여자 : 이재웅(서강대), 이성민(IBS, 서울대), 류지훈(서울대), 강순민(IBS, 서울대), 김태윤(서울대), 김필광, 박철환, 박제근(IBS, 서울대), 정현식(서강대)