3차원 구조를 스스로 1차원으로 바꾸는 자연현상 발견

궤도자유도 정렬(왼쪽)에 의해서 3차원 구조에서 자발적으로 발생한 1차원 스핀 사슬(오른쪽 그림의 원 부분)을 보여주고 있다.

박제근 성균관대학교 교수(40·물리학전공) 연구팀은 3차원 구조를 가지는 류시늄(Ru) 산화물이 120K(K:절대온도 단위)보다 낮은 저온에서 자발적으로 1차원 물질로 변화하는 현상을 세계 최초로 발견하고 근본원리를 구명했다고 14일 밝혔다.

　박 교수팀의 연구 결과는 ‘Tl2Ru2O7의 스핀갭과 3차원 결정의 홀데인 사슬 구성’이라는 제목의 논문으로, 이 분야의 권위지인 네이처 머티리얼 5월 14일자 온라인판에 게재됐다.

　연구팀에 따르면 상온에서 3차원 구조인 류시늄 산화물 Tl2Ru2O7이 온도를 120K로 낮추면 Ru 원자 궤도자유도가 1차원으로 정렬되면서 1차원 물리현상인 홀데인 스핀사슬을 만들어냈다.

　자연에 존재하는 물질은 온도와 압력 등 외부변수에 의해 변화하는데 이를 ‘상전이’현상이라고 한다. 액체인 물이 0도에서 고체인 얼음으로 변하는 현상이 ‘상전이’다.

　이제까지 상전이는 물질의 차원과 물리량의 대칭성에 의해 결정되는 것으로 알려져 왔는데 연구팀은 이 고정관념을 깨고 물질구조와 관계없이 물질이 자발적으로 3차원 구조를 1차원으로 바꿀 수 있다는 사실을 처음 밝혀낸 것이다.

　박 교수는 “물질구조와 상관없이 상전이의 차원이 결정될 수도 있다는 발견은 매우 의미가 있는 연구며 이번 연구결과에서와 같이 여러 자유도 사이의 강한 결합이 존재하는 물질에서 이와 유사한 현상을 더 발견할 수 있는 가능성을 제시한 것”이라고 말했다.

조윤아기자@전자신문, forange@