이재광 교수팀, 원자수준 강유전성 제어 비밀 풀어

새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘 규명

【왼쪽부터 진영록 대학원생, 이재광 교수】

물리학과 이재광 교수 연구팀은 성균관대·포항공대와의 협력연구를 통해 원자수준까지도 강유전성이 제어되는 새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘을 규명했다.

물질내 격자들은 진동한다.

격자 진동을 second quantize 한 것을 phonon이라고 한다.

격자들은 마치 스프링으로 연결된 것처럼 서로 연동되어 있다.

이로 인해 phonon은 개별적으로 움직이지 않는다.

서로 coupling되어 집단적인 운동을 보인다.

이로인해, 포논은 일반적으로 collective excitation으로 간주되어 왔다.

포논이 decoupling 되어 개별적으로 움직일수 있을까 ?

만약 phonon decoupling이 가능하다면, 격자는 독립적으로 행동할수 있게된다. 강유전성은 격자의 변위에 기인한다. 따라서 phonon decoupling이 가능하다면, 원자 수준에서 강유전성의 존재/제어가 가능하게 한다.

【원자수준 강유전성 제어 phonon decoupling 메커니즘 규명】

SrFeO2.5는 brownmillerite 산화물이다. (010) 방향으로 octahedral (Oh)층과 tetrahedral (Th)층이 교대로 연결되어 있는 산화물이다 (그림). SrFeO2.5의 강유전성은 상대적으로 가벼운 산소 변위에 의해 결정된다. Oh 산소와 Th 산소 그리고 그들 사이 산소, 그들이 각각 서로 다른 spring 상수 α1, α2 으로 연결되어 원자4개로 이루어진 1차원 모델로 표현된다 (그림).

이번 연구에서 이재광 교수팀은 Oh 산소와 Th 산소가 교대로 배치되며, spring 상수가 ---α1-α1-α2-α2-α1-α1---로 특정하게 배치하는 brownmillerite 산화물에서 두 spring 상수의 비(α1/α2)가 2보다 클 때 Oh 산소와 Th 산소 격자진동이 decoupling 될수 있음을 모델 분석과 제일원리 포논 계산을 통해 규명하였다. [그림].

연구팀은 scanning transmitted electron microscopy (STEM) 이미징을 통해 실제로 Th 층 산소 변위가 개별적으로 제어되고 이에 따라 원자수준에서 강유전성이 제어될수 있음을 실험적으로 관측하였다.

이재광 교수는 “이번 연구는 원자수준까지도 강유전성이 존재/제어되는 새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘을 밝혀낸 연구성과로, 향후 phonon decoupling 기반 원자수준 강유전성 제어가 가능한 양자소자 개발에 핵심자료가 될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 논문은 부산대 물리학과 진영록 석박통합 대학원생이 제1저자, 이재광 교수와 성균관대 최우석 교수, 포항공대 최시영 교수가 공동교신저자로 수행해, ‘Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling’이라는 제목으로 2025년 기준 JCR 1.12% IF 37.2인 국제학술지 Nature Materials 5월20일에 게재됐다.

논문: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7

해당 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 기초연구실 (BRL) 사업과 교육부의 재원으로 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥세터의 지원을 받았다.