평면과 선의 경계는 어디일까, 평면과 선을 구별해주는 고유의 특성이 변하는 것을 관찰하는 것은 가능할까?
물질이 평면(2차원)에서 선(1차원)으로 변할 때 2차원 물질의 고유 특성과 1차원 물질의 고유 특성이 공존하는 영역이 존재한다는 사실을 국내 연구진이 실험을 통해 처음으로 확인했다.

서울대 물리천문학부 최석봉(38) 교수와 포스텍 물리학과 이현우(39) 교수팀은 8일 자성 물질인 코발트-철 합금 박막의 폭을 점점 줄이면서 선 형태로 만들면 평면의 특성과 선의 특성이 공존하는 영역이 있다는 것을 확인했다고 밝혔다.

이 연구결과는 평면과 선의 성질이 공존하는 차원 간 변환(임계현상)을 최초로 관찰하고 이런 변환에도 보편적인 규칙이 있음을 밝혀낸 것으로 과학저널 '네이처(Nature)' 9일자에 게재될 예정이다.

이 연구결과는 물이 얼고 녹는 상변화나 증권시장의 주가 변화, 지진의 빈도ㆍ강도 등에서 나타나는 임계현상의 설명뿐 아니라 향후 나노스핀트로닉스 등 다양한 나노소자의 개발과 응용에도 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

연구진은 자기물질인 코발트-철 합금 박막의 폭을 4.2㎛에서 150㎚(㎚=10억분의1ｍ)까지 줄이면서 선 형태로 만든 다음 여기에 외부장기장을 가하고 그 세기를 변화시키면서 자극(磁極)의 기본단위인 자구벽(DW)의 확장 속도를 측정했다.

그 결과 합금 박막의 폭이 4.2㎛~756㎚일 때는 자구벽의 확장 속도가 전형적인 평면의 특성을 보였으나 폭이 500㎚로 줄자 선(1차원)의 성질이 나타나 150㎚부터는 전형적인 선의 특성을 보이기 시작하는 것으로 나타났다.

최석봉 교수는 "선폭이 500㎚~150㎚에서 평면과 선의 특성이 공존하는 현상이 관찰되리라고는 전혀 예상하지 못했다"며 "이는 이 물질의 경우 선폭 500㎚ 이상은 2차원(평면), 150㎚ 이하는 선(1차원)이라는 의미로 볼 수 있다"고 말했다.

그는 또 "이 연구는 다양한 자연현상에서 보편적인 법칙을 찾기 위한 순수 과학의 하나로 시작됐지만 이 연구결과는 나노스핀트로닉스 등 차세대 나노기술의 안정성과 신뢰성에 필요한 기초원리를 제공, 이 분야 산업의 발전에 기여할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.