토론토대 연구진, 빛·포논으로 8극(옥투폴) 자성 숨겨진 자기 질서 검출법 제시

다극 자성이란 무엇인가

일반적인 자석은 북극·남극의 쌍극자(dipole) 구조를 갖는다. 그러나 양자역학 연구가 깊어지면서 더 복잡한 자기 질서가 발견되고 있다. 8극 자기 질서(octupolar order)는 결정 내 입자 배열이 마치 8개의 자극을 갖는 것처럼 거동하는 상태다. 문제는 이 상태가 기존 측정 수단에 반응하지 않아 사실상 '보이지 않는' 자기 상태로 분류됐다는 점이다.

포논의 손잡이 특성을 광학 지문으로

토론토대 Arun Paramekanti 교수팀은 결정 격자에 빛을 조사해 포논, 즉 고체 내부를 전파하는 진동 에너지 패킷을 활성화하는 방식에 주목했다. 특히 거울상과 일치하지 않는 비대칭 구조를 지닌 카이랄 포논(chiral phonon)에 초점을 맞췄다. 왼손과 오른손이 겹쳐지지 않듯, 카이랄 포논은 서로 구별되는 두 가지 손잡이(handedness) 형태로 존재한다.

연구팀은 옥투폴 자기 질서가 시작되면 특정 포논 모드에 고유한 손잡이 특성이 부여된다는 사실을 규명했다. 이 포논은 통상적인 자석에서 나타나는 진동과 다른 거동을 보이며, 연구팀은 이를 유사 카이랄 포논(pseudo-chiral phonon)으로 정의했다. 회전 편광을 지닌 특수 광원을 자성 물질에 조사하면 이 유사 카이랄 포논의 광학적 지문이 뚜렷하게 나타나며, 이를 통해 숨겨진 자기 질서를 확인할 수 있다는 것이 이번 연구의 핵심이다.

응용 가능성과 기술적 의미

이번 방법은 비접촉·광학적 수단만으로 기존 기술이 접근하지 못했던 자기 상태를 검출하는 첫 실용적 경로를 제시한다. 연구팀은 이 기법이 컴퓨터 저장 장치의 읽기·쓰기 메모리 소자, 차세대 데이터 저장 기술, 나아가 양자 컴퓨팅 소자 개발로 이어질 수 있다고 설명한다. 또한 원자 진동을 통해 옥투폴 자기 질서를 능동적으로 제어하는 연구의 이론적 토대도 이번 성과를 통해 마련됐다.

한계와 향후 과제

현 단계는 검출 방법의 원리 확립에 머물러 있으며, 실제 소자에 적용하거나 자기 질서를 동적으로 제어하는 수준에는 이르지 못했다. 유사 카이랄 포논 신호가 다양한 물질 계열에서 안정적으로 재현될 수 있는지, 그리고 어떤 결정 구조에서 신호 대비가 가장 크게 나타나는지에 대한 후속 실험 연구가 필요하다. 토론토대와 도쿄대 공동 연구팀의 이번 논문은 arXiv(2506.18978)에도 사전 공개된 상태다.