지난 수십년 간 학계의 역사가 보여주듯이, 응집물질물리학과 재료과학의 발전은 항상 새로운 물질의 발견으로부터 초래되었습니다. 본 연구진이 개척한 자성 반데르발스(magnetic van der Waals) 물질도 이러한 예시 중 하나로써 최근 급부상중인데, 그래핀과 같이 단일 원자층의 시료를 박리(exfoliation)를 통해 쉽게 구현할 수 있다는 점이 가장 중요한 특징입니다. 이러한 특징을 활용하면 2차원에서의 자성 현상을 실험적으로 관측할 수 있을 뿐만 아니라 집적도가 높은 자성소자로의 응용도 기대할 수 있어서, 최근 자성 반데르발스 물질에 대한 연구가 폭발적으로 증가하고 있습니다.

본 과제에서는 자성 반데르발스 물질에서 지금까지 이루어진 연구들을 훨씬 뛰어넘는 양자-위상학적 물리를 반강자성 금속에서 연구하고자 합니다. 우선 위상학적 성질을 가지는 반강자성 반데르발스 금속 물질을 탐색하고 이를 단원자층까지 다루는 기술을 개발하고자 합니다. 그 다음 이를 활용하여 물질의 자성 및 위상학적 특성을 덩치시료에서 2차원 단원자층까지 연구합니다. 이와 더불어 강상관계 금속물질의 자성 및 위상학적 특성을 이론적으로 계산하는 최신 제일원리 계산법을 통해, 관측한 물성을 이론적으로 이해하고자 합니다. 마지막으로, 압력과 같은 다양한 외부 변수를 조절하여 2차원 금속 반강자성체의 덩치시료와 단원자층을 양자임계점 근처로 가져가는 것이 최종 목표입니다. 이는 자성체의 양자-위상 물성을 2차원에서 연구할 수 있게 되는 매우 획기적인 접근이 될 것입니다.

현재까지 자성 반데르발스 물질 연구는 반강자성 절연체 물질과 강자성 절연체 또는 금속에 대해서만 이루어져왔고, 반강자성 금속에 대해서는 연구가 거의 이루어지지 않았습니다. 따라서 위상학적 특성을 가지는 반강자성 반데르발스 금속물질을 제시하는 것만으로도 이미 획기적인 연구 결과가 될 것입니다. 그러나 여기서 그치지 않고 자성 위상물질의 양자임계현상을 2차원 단일 층에서 관측하는데 성공한다면, 응집물질물리의 핵심주제인 자성, 위상, 양자임계현상을 하나로 묶게 되는 지금까지 보고된 적이 없는 새로운 길을 열 것으로 기대됩니다.

반강자성 반데르발스 금속 위상물질의 양자임계상태 구현