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'기묘한 물질' 비밀벗긴다..磁性상실 XY모델 실험관찰 세계 첫 성공

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IBS “자성 반도체, 스핀전자소자 응용 기대”
기묘한 물질 특징을 세계 최초로 실험으로 규명
XY모델이론, 원자 스핀이 시계바늘처럼 방향성 갖는 모델

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 물리학에서 차원(Dimensionality)은 물질의 성질을 좌우하는 중요한 개념이다. 두께나 높이의 개념이 사라진 2차원 세상에서 일부 물질은 낮은 온도에서 양자역학의 지배를 받는 ‘기묘한 물질(Exotic matter)’로 탈바꿈한다. 기묘한 물질은 고체, 액체, 기체 등 우리가 기존 알고 있던 상(相)과는 매우 다른 새로운 상태를 말한다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 박제근 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수) 연구팀은 정현식 서강대 교수, 박철환 서울대 교수와의 공동연구를 통해 그 동안 이론으로만 예측돼온 기묘한 물질의 특징을 세계 최초로 실험으로 규명하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 이날 게재됐다.

연구진에 따르면 주변 쇠붙이를 끌어당기는 자석을 가열해 온도를 매우 높이면 자성을 잃고 보통의 쇠붙이처럼 변한다. 이를 ‘자성(性) 상전이(移·phase transition)’ 현상이라고 한다. 고체가 액체로, 액체가 기체로 변하는 것처럼 물질의 한 상태가 다른 상태로 변하는 것을 상전이라고 한다. 자성 상전이의 경우 임계온도 이하에서 규칙적으로 정렬돼 자성을 띠던 물질이 특정 온도 이상에서는 정렬이 풀려 자성을 잃어버리는 현상을 말한다. 

'자성 상전이' 현상을 입자들 사이의 상호작용으로 이해하기 위해 과학자들은 세 가지 모델을 만들었다. 그 중 XY모델은 가장 독특한 특성을 가져 학계의 주목을 받고 있다. XY모델은 원자의 스핀이 2차원 평면 위에서 시계 바늘처럼 360도의 방향성을 가진다는 모델이다.

2016년 노벨 물리학상은 XY모델을 따르는 2차원 물질의 자성 상전이 현상에 대한 이론적 토대를 마련한 세 명의 과학자에게 수여됐다. 하지만 1970년대 처음 제시된 이 이론을 실험적으로 구현한 사례는 드물다. 단원자 두께의 얇은 자성 물질을 구현하는 것이 힘들고, 이런 얇은 물질의 미세한 자성을 측정할 실험장치도 없었기 때문이다.

연구팀은 XY 모델의 독특한 자성 상전이 현상을 실험으로 관찰하는 데 성공했다. 우선 연구진은 삼황화린니켈(NiPS3)을 이용해 단일층 자성물질을 제작했다. 삼황화린니켈은 층상구조를 가진 물질로 점착테이프를 반복해 붙였다 떼어내며 원자 한 층 두께의 시료를 만들 수 있다. 삼황화린니켈은 인접한 스핀이 서로 반대방향으로 정렬돼 특정 온도 이하에서만 자성을 띠는 반강자성체다.

수 마이크로미터 두께를 가진 얇은 시료의 자성을 관찰하기 위해 연구팀은 라만 분광법(Raman spectrocopy)을 활용했다. 이를 활용해 원자층의 개수에 따른 자성 변화를 관찰한 결과, 수 원자층 두께의 시료에서 관찰되던 자기 상전이가 단일 원자층 시료에서는 나타나지 않음을 확인했다.

(그림) 연구진이 만든 삼황화린니켈 단일층의 모습:  박제근 부연구단장 연구팀은 2016년 삼황화린니켈(NiPS3)을 박리해 자성 원자층 추출에 성공한 바 있다(Scientific Reports, 2016.02). 삼황화린니켈은 전이금속인 니켈(Ni) 원자와 인(P)과 주기율표 상 산소와 같은 족에 속하는 황(S) 세 개를 결합된 2차원 물질이다. 왼쪽 그림(a)은 니켈삼황화린의 결정 구조를 나타낸다. 이 물질은 155K(절대온도) 이하에서 반강자성 정렬이 나타나고 단일층으로 만들면 자성 원자층 물질이 되는 신기한 물질이다. 빨간 색 화살표는 155K 아래에서의 니켈 원자의 스핀이 정렬된 방향을 나타낸다. 인접한 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬된 반강자성체의 스핀 특성이 드러난다. 오른쪽 그림(b)은 원자간력현미경(AFM)을 이용해 박리된 NiPS3의 표면이다. 그래프에서 나타나는 선들의 높낮이는 실제 시료의 두께를 나타낸다. 단층두께의 시료가 만들어졌음을 확인할 수 있다. [자료=IBS]  

덩어리(bulk) 형태의 삼황화린니켈은 155K(-118.15℃) 이상의 온도에선 반강자성 정렬이 풀리는 자성 상전이 현상이 나타났다. 단 2개 층으로 이뤄진 시료 역시 유사했다. 이와 달리 단일층 시료는 실험에서 측정한 가장 낮은 온도인 25K(-248.15℃)에서도 자성 상전이가 나타나지 않았다. 2016년 노벨물리학상의 주요 내용인 XY모델을 따르는 물질을 2차원 소재로 제작했을 때, 자성상전이를 가질 수 없다는 KT이론을 실험적으로 증명한 셈이다.

공동연구팀은 2016년 아이징 모델의 자성 상전이 현상을 실험으로 증명한 연구결과를 발표한 바 있다. 이번 연구에서 XY모델까지 증명해낸 만큼, 향후 하이젠베르크 모델의 검증까지 완료하면 2차원 자성 물질이 갖는 다양한 물리 현상에 대한 모든 비밀을 국내 연구진의 손으로 해결할 수 있게 된다.

박 부연구단장은 “갈릴레오 갈릴레이가 달을 관측하는 도구를 개발해 지동설이란 새로운 이론을 만들어낸 것처럼 이론을 실험으로 증명하는 과정에서는 인간이 예측하지 못했던 중요한 발견이 이뤄진다”며 “이번 연구는 2차원 원자층 물질의 자성현상에 대한 새로운 돌파구를 제시한 것으로 향후 자성 반도체, 스핀전자소자 등의 개발에도 응용되리라 기대한다”고 말했다.

 

kimys@newspim.com

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쿠팡, 상반기 美로비 자금 34억원 [서울=뉴스핌] 김정인 기자 = 쿠팡이 국내 규제 현안에 대응하는 과정에서 미국 워싱턴 정관계를 상대로 한 로비 활동을 확대하고 있다. 쿠팡Inc가 올해 상반기 신고한 로비 지출액은 237만달러(약 34억4200만원)로, 자체 조직과 외부 전문업체를 통해 백악관과 미 의회, 주요 행정부처 등을 폭넓게 접촉한 것으로 나타났다. 같은 기간 한국 정부의 쿠팡 조사와 제재를 미국 기업 차별로 규정하는 정치권의 움직임도 공화당 의원들의 연명서한과 하원 조사보고서, 외국 공무원 입국 제한 법안 발의로 구체화됐다. ◆ 상반기 237만달러…외부업체 6곳 가동 29일 미국 상원 로비공개법(LDA) 공시에 따르면 쿠팡Inc가 올해 상반기 신고한 로비 지출액은 총 237만달러(약 34억4200만원)다. 이는 지난해 연간 지출액 227만달러(약 32억9700만원)를 이미 10만달러 웃도는 규모다. 올해 1분기에는 109만달러(약 15억8300만원), 2분기에는 128만달러(약 18억5900만원)를 지출했다. 2분기 지출액은 1분기보다 17.4% 늘었다. 지난해 상반기 지출액 110만달러(약 15억9800만원)와 비교하면 올해 상반기 로비 비용은 115.5% 증가했다. 쿠팡Inc는 자체 조직과 ▲볼러드파트너스 ▲컨티넨털스트래티지 ▲크로스로드스트래티지 ▲밀러스트래티지 ▲모뉴먼트애드버커시 ▲윌리엄스앤드젠슨 등 외부 업체 6곳을 활용했다. 접촉 대상에는 미국 상·하원과 백악관, 국무부·상무부·미국무역대표부(USTR) 등이 포함됐다. [AI 인포그래픽=김정인 기자] ◆ 서한·보고서 거쳐 법안까지 한국 정부의 쿠팡 조사와 제재를 미국 기업에 대한 차별로 규정하는 미국 정치권의 움직임은 올해 들어 조사와 서한, 보고서, 법안 발의로 이어졌다. 미 하원 법사위원회는 지난 2월 쿠팡Inc에 한국 정부의 조사·제재와 관련한 문서와 통신 기록 제출을 요구하는 소환장을 발부했다. 쿠팡 관계자의 증언도 요구하며 한국 정부의 미국 기업 차별 여부를 들여다보기 시작했다. 이어 마이클 바움가트너 공화당 하원의원은 지난 4월 공화당 하원의원 54명과 함께 한국 정부에 미국 기업에 대한 차별적 조치를 중단하라는 취지의 서한을 보냈다. 이들은 한국 온라인 시장에서 미국 기업이 밀려날 경우 테무와 알리바바, 쉬인 등 중국계 플랫폼이 그 자리를 차지할 수 있다고 주장했다. 하원 법사위원회는 조사 내용을 토대로 지난 1일 한국 정부의 미국 기업 차별 의혹을 다룬 중간보고서를 공개했다. 보고서는 한국 정부가 쿠팡을 반복적으로 조사하고 경쟁사보다 과도한 규제와 과징금을 부과했다고 주장했다. 쿠팡이 제출한 자료와 관계자 증언도 보고서에 활용됐다. 서울 송파구 쿠팡 본사. [사진=뉴스핌DB] 정치권의 문제 제기는 법안 발의로도 이어졌다. 바움가트너 의원은 지난 22일 미국인이나 미국 기업을 경제적으로 차별한 외국 정부 당국자의 미국 입국을 제한하고 추방할 수 있도록 하는 이민·국적법 개정안을 발의했다. '외국 공무원 입국 제한법안'으로 불리는 H.R.9834는 차별적 정부 조치에 관여한 외국 공무원을 입국 불허·추방 대상에 포함하는 내용이다. 현재 하원 법사위원회에 회부된 발의 초기 단계다. 바움가트너 의원은 법안 설명자료에서 한국 당국의 쿠팡 조사와 과징금을 미국 기업 차별 사례로 제시했다. 다만 법안은 쿠팡과 한국만을 겨냥한 것은 아니며 유럽연합(EU)의 구글 규제와 브라질의 미국계 플랫폼 규제도 함께 언급했다. ◆ 쿠팡 "합법적 활동…수출 확대 목적" 쿠팡은 미국 정부와 정치권을 상대로 한 로비가 미국 헌법과 관련 법률에 따라 보장된 합법적인 활동이라는 입장이다. 자사의 로비 규모도 미국 주요 기업이나 국내 대기업과 비교해 크지 않다고 주장했다. 쿠팡은 공식 로비 의제가 미국산 상품 수출과 미국 내 일자리 창출, 한미 경제·통상 관계 강화라고 설명했다. 지난 28일 포춘 글로벌 500 첫 진입을 발표하면서도 자신을 시애틀에 본사를 둔 미국 기술기업으로 소개하고, 지난해 미국 상품·서비스·농산물의 해외 판매액 가운데 50억달러 이상을 담당했다고 강조했다. 한편 한국 정부는 쿠팡을 미국 기업이라는 이유로 차별했다는 주장을 부인하고 있다. 공정거래위원회는 기업 국적과 관계없이 플랫폼 사업자에 같은 기준을 적용하고 있다는 입장이다. kji01@newspim.com 2026-07-29 14:38
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
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