기계/재료

2차원 자성재료 비선형 광학연구에서 일련 성과 달성

발행일 : 2019 / 08 / 04

최근 푸단대학 물리학부 우스웨이(吳施偉) 연구팀과 워싱턴대학 쉬샤오둥(許曉棟) 연구팀은 공동으로 2차원 자성재료 이중층 삼요오드화크롬(Chromium triiodide) 층간 반강자성 구조에서 비롯된 비상호성 2차 고조파 비선형 광학응답을 관측함과 아울러 삼요오드화크롬 층간 반강자성 결합과 반데르발스 적층구조의 연관성을 규명했다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.

2차원 자성재료는 최근년래 국제적 연구이슈가 되고 있다. 하지만 해당 재료시스템은 전체적으로 외부에 자성 특성을 나타내지 않을 뿐더러 샘플이 얇고 작기에 이와 관련한 실험연구는 해당 분야의 어려움으로 되고 있다.

몇 개 원자층 두께의 2차원 반강자성재료가 외부에 주는 물리적 자극(physical stimulation)은 일반적으로 측정 가능한 응답을 발생하기 어렵다. 과거 해당 영역은 “어두운 구석”으로 남아있었지만 현재 2차 고조파 방식으로 그 비밀을 밝힐 수 있게 되었다. 연구팀이 실험에서 측정한 반강자성재료의 두께는 2개 단위포(unit cell)층 두께(<2nm)였다. 동 조건에서 중성자 산란 등 측정 수단은 효과가 없었다. 연구팀은 수년간 2차원 재료 비선형 광학연구를 기반으로 광학 2차 고조파 방법을 사용해 2차원 자성재료의 자기구조(magnetic structure) 및 관련 특성을 탐구했다.

광학 2차 고조파는 재료의 거시적 자성에 의존하지 않고 미시적 자기구조에 발생하는 대칭성 붕괴(broken symmetry)에 의해 결정된다. 반강자성 상태에서 이중층 삼요오드화크롬 자기구조에 시간반전대칭성(Time-reversal symmetry) 및 공간반전대칭성 파괴가 발생함에 따라 강한 비상호성 2차 고조파 응답이 발생한다. 한편, 시스템을 변태온도(transformation temperature) 이상에 도달시키거나 또는 면외 자기장을 가해 강자성 상태로 당겨오면 오히려 자기구조 대칭성에 변화가 발생하고 이에 따라 2차 고조파 신호도 사라진다.

이외 연구팀은 이중층 반강자성 삼요오드화크롬의 2차 고조파 신호의 응답계수가 3개 수량급 이상 높아짐을 발견했다. 이는 일반 강자성 계면에 발생하는 2차 고조파에 비해 10개 수량급 높은 수준이다. 연구팀은 이렇게 강한 2차 고조파 신호를 이용해 비로소 이중층 삼요오드화크롬의 단위포층 적층 구조의 대칭성을 규명했다.

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