KAIST 연구팀, 강유전체 ‘3차원 소용돌이’ 20년 난제 풀어

원자분해능 전자토모그래피를 통해 규명된 BaTiO3 나노입자의 3차원 분극 분포.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 강유전체 ‘3차원 소용돌이’에 대해 20년의 난제를 풀어 주목된다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 양용수 교수 연구팀이 나노강유전체 내부의 3차원 소용돌이 형태 분극 분포를 최초로 실험적으로 규명했다고 30일 밝혔다.

이번 연구는 포항공대, 서울대, 한국기초과학지원연구원(KBSI)과 미국 로런스 버클리 국립연구소, 아칸소대학교 연구진이 참여했다.

약 20년 전 아주 작은 나노 크기 0차원 강유전체 내부에 특이한 형태의 분극 분포가 발생할 수 있음이 아칸소대 물리학과 로랑 벨라이쉬 교수 연구진에 의해 이론적으로 예측됐다.

소용돌이 분포를 적절히 제어하면 기존 대비 1만 배 이상 높은 용량의 초고밀도 메모리 소자로 응용이 가능할 것이라는 가능성이 제시된 것으로 학계의 이목을 끌었으나, 3차원 분극 분포 측정의 어려움으로 인해 실험적인 규명이 되지 못하고 있었다.

이에 연구팀은 강유전체인 바륨-티타늄 산화물(BaTiO3) 나노입자 내부 원자들의 위치를 3차원적으로 완전히 측정하고, 내부의 3차원적 분극 분포 또한 단일 원자 단위로 규명했다.

또 실험 분석을 통해 20년 전 이론적으로 예측됐던 대로 강유전체 내부에 소용돌이를 비롯한 다양한 위상학적 분극 분포가 발생하고, 강유전체의 크기에 따라 내부 소용돌이의 개수 또한 제어할 수 있다는 사실을 처음 밝혀냈다.

연구팀은 이 결과를 바탕으로 20년 전 해당 소용돌이 분극 이론을 최초 제시했던 벨라이쉬 교수와 국제공동연구를 수행했고, 실험에서 얻은 소용돌이 분포 결과가 이론적인 계산으로도 잘 설명됨을 추가적으로 증명했다.

KAIST 물리학과 양용수 교수

연구를 주도한 양용수 교수는 "이번 결과는 기판의 유·무나 주변 환경에 무관하게 강유전체 크기와 형태를 적절히 조절하는 것만으로도 나노 크기에서 강유전성 소용돌이를 제어할 수 있음을 시사했다"며 "이러한 분극 분포 소용돌이의 개수 및 회전 방향을 조절함으로써 기존보다 약 1만 배 이상 많은 양의 정보를 같은 크기의 소자에 저장할 수 있는 차세대 고밀도 메모리 소자 기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

KAIST 물리학과 정채화 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업 및 KAIST 특이점교수사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스'에 지난 8일 게재됐다.

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