광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 신동빈 물리·광과학과 교수팀과 김동언 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 교수팀이 공동으로, 자성이 없는 2차원(2D) 반도체에 빛을 비춰 일시적으로 자성을 유도하고 그 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.
연구팀은 반도체를 두 층으로 쌓으면 층 사이의 상호작용으로 한 층일 때와 다른 원자 진동이 나타날 수 있다는 점에 주목했다. 연구에 사용한 물질은 몰리브덴(Mo) 원자와 셀레늄(Se) 원자로 이뤄진 2D 반도체 '이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂)'이다.
이 반도체(MoSe₂)를 위아래로 두 층 쌓은 뒤, 빛을 비췄을 때 나타나는 원자 진동을 분석한 결과 두 층이 서로 가까워졌다 멀어지는 '층간 호흡 진동'과 각 층 안에서 셀레늄 원자가 좌우로 움직이는 '셀레늄 신축 진동'이 함께 나타나는 것을 확인했다. 두 진동은 서로 다른 주기로 움직이면서 겹치고, 그 결과 원자들이 단순한 직선 운동이 아닌 복합적인 움직임을 보였다.
연구팀은 이론 계산에서 예측한 자성이 실제로 나타나는지 확인하기 위해 한 층짜리와 두 층짜리 반도체(MoSe₂)에 각각 선편광을 비추고 자성 신호를 비교했다. 상온에서 측정한 결과, 한 층짜리 반도체(MoSe₂)에서는 선평광에 의한 자성 신호가 나타나지 않았지만, 두 층짜리 반도체에서는 자성이 생겼을 때 나타나는 빛의 편광 회전 신호가 뚜렷하게 관측됐다.
더 나아가 빛의 세기와 에너지, 반도체의 온도를 바꿔가며 자성 신호를 측정해 빛으로 유도된 자성이 어떤 조건에서 강하게 나타나는지도 확인했다.
이번 연구는 자성이 없는 2D 반도체에서도 두 층 사이의 상호작용과 빛으로 유도한 원자 진동을 이용해 일시적인 자성을 만들어낼 수 있음을 보여줬다. 특히 기존에 주로 활용되던 원형 편광이 아닌 선편광만으로도 자성을 유도할 수 있는 새로운 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다.
2D 물질에서 빛으로 스핀과 자성을 제어하는 연구를 확장하는 데 활용될 수 있으며, 향후 초고속 스핀 제어와 스핀트로닉스, 양자정보 기술 연구로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.
신동빈 교수는 “이번 연구는 빛이 일으킨 원자 진동과 층 사이의 상호작용이 자성을 유도하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 확인한 성과”라며, “특히 원자 진동을 매개로 빛과 물질의 스핀을 연결할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
