2차원 평면에서도 자석의 성질이 유지된다는 이론을 국내 연구팀이 세계 최초로 실험을 통해 증명했다. 70년 만에 물리학계의 난제를 풀어낸 성과로 인정받으며, 물리학 분야 최고 권위지 ‘리뷰스 오브 모던 피직스(RMP)’에 게재됐다. 연구는 기존 실리콘 반도체를 넘어설 차세대 반도체 소자 개발의 원천 기술로도 주목받고 있다.

2차원 자성 반데르발스 연구 개념도. 대표적인 2차원 물질인 그래핀처럼 벌집 모양의 2차원 구조를 바탕으로 하고 있다. 사진 과학기술정보통신부

22일 과학기술정보통신부에 따르면, 서울대학교 박제근 교수 연구팀은 원자 한 층 두께의 2차원에서도 자석의 성질이 유지된다는 사실을 세계 최초로 입증했다. 흔히 일상에서 접하는 자석은 부피를 가진 3차원 형태다. 2차원 평면으로 줄였을 때도 자성이 유지되는지는 물리학계가 70년 가까이 풀지 못한 난제였다.

연구팀은 ‘반데르발스 자성 물질’을 입증에 활용했다. 층과 층 사이 약한 인력으로 쌓인 구조 덕분에 테이프로 벗겨내듯 원자 한 층만 떼어낼 수 있는 물질이다. 연필심 재료인 흑연을 한 층만 떼어내듯, 박 교수팀은 자석 성질을 가진 물질(삼황화린철)을 원자 한 층 수준으로 얇게 만들어 그 상태에서도 자성이 유지되는지 확인했다.

박제근 교수 연구팀은 70년 만에 물리학계의 난제를 풀어낸 성과를 인정받으며, 연구 결과가 물리학 분야 최고 권위지 ‘리뷰스 오브 모던 피직스(RMP)’에 게재됐다.사진 RMP

이 연구 성과는 미국물리학회가 발행하는 최고 권위 학술지 RMP에 게재됐다. RMP는 해당 분야를 수십 년간 이끈 극소수 연구자에게만 집필을 의뢰하는 학술지로, 1929년 창간 이래 한국인이 1저자 또는 교신저자로 이름을 올린 사례는 손에 꼽을 정도다. 앞서 현대 입자물리학의 토대를 닦은 한국인 물리학자 고(故) 이휘소 교수가 RMP에 논문을 주저자로 게재한 바 있다. 과기정통부는“박 교수팀이 물리학계 난제를 세계 최초로 실험 입증하며 새 연구 분야를 개척했고, 이번 논문은 전 세계 물리학계의 나침반 역할을 할 것”이라고 평가했다.

박 교수는 “연구를 토대로 차세대 새로운 개념의 스핀 소자를 구현하고자 한다”면서 “반도체를 포함한 차세대 IT 소재 전반에 걸쳐 다양한 시도들이 가능해질 것”이라고 설명했다. 스핀 소자란 ‘스핀(자전 방향)’을 활용해 정보를 저장·처리하는 차세대 소자다. 기존 실리콘 반도체보다 전력 소모를 크게 줄이면서도 더 빠른 연산이 가능해 초저전력 자기 메모리 등 차세대 IT 기기에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.