로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)의 과학자들은 어바나-샴페인 일리노이 대학(Los Alamos National Laboratory)과 로렌스 버클리 국립 연구소 첨단 광원, 그리고 기타 여러 연구진과 협력하여, 천연 자기에서는 발견되지 않은 형상을 따라 자기 나노 섬을 배열함으로써, 나노 규모의 인공 자기를 생성하는데 성공했다. 이들의 연구 논문인 "Emergent reduced dimensionality by vertex frustration in artificial spin ice"는 Nature Physics 온라인 저널에 발표되었다. “각각의 나노 섬은 냉장고 자기와 비슷하다. 각각의 끝은 북극과 남극으로 나뉜다. 하지만 냉장고 자기와는 달리, 이 나노 섬은 적용된 장, 또는 열 변동 사용을 통해서, 북극과 남극을 뒤집어, 그것의 자화를 바꿀 수 있다. 그러나 이러한 나노 섬들은 결속하기 때문에, 그들은 상호 작용하고, 이러한 상호 작용은 출현 속성으로 활용할 수 있는 집단행동을 유발한다”고 로스 알라모스 연구소의 물리학자인 Cristiano Nisoli가 말했다. 이를 통해, 센서 개발과 같은 일반적인 자기부터 정보 부호화와 같은 여러 응용에 이를 적용할 수 있다.
“이 자기는 차원 축소가 나타나도록 설계된다. 이 경우에 이들은 이차원 행동에서 일차원적 행동으로 간다”고 Nisoli가 말했다. “온도가 실온까지 낮아지면, 이 자기는 ‘표준’ 자기에서 새롭고, 독특한 상태로 넘어가는데, 이는 질서와 무질서한 줄무늬 상태가 교차하면서, 이 둘 간에는 분명한 운동 행동을 보이는 ‘차원 축소’가 드러남을 뜻한다. 정돈된 줄무늬는 정적이며, 무질서한 줄무늬는 열에 의해 뒤집힌다”고 Nisoli가 말했다. 흥미롭게도, 이 행동은 임의적이지 않다고 Nisoli는 지적했다. 이 줄무늬들과 그들의 행동은 일차원 아이징 모형(1D Ising model)을 통해 예측될 수 있으며, 이것은 이론 물리학자들이 지난 80년간 연구해온 위상 전이를 이해하기 위해 사용한 최초의 도구라고 그는 밝혔다.
자기 물질은 독특하고도 유용한 행동을 드러내며, 이러한 속성을 자연에서는 찾기 힘들다. 이들의 흥미로운 속성들 대부분은 기술적 응용에 제한을 받는 매우 낮은 온도에서만이 일어난다. 유용한 온도 범위에서 작동하는 이상적인 속성을 가진 자기를 제조하는 것은 따라서 과학이나 기술, 국가 안보와 깊은 관련이 있다. “이 연구는 그것이 가진 이상적인 속성과 창발적 행동을 설계할 수 있는 상향식 자기 설계(bottom-up design)를 향한 노력을 담고 있다”고 Nisoli가 말했다. 이러한 연구진의 노력은 어떻게 창발적 행동을 명확히 나노구조로 설계하는지에 대한 기초 과학의 진보를 제공하고 있다. 이것은 또한 나노 자기의 집단적 행동을 활용하는 자기를 계획적으로 설계하는 접근 방법을 이끌 수 있다고 연구진은 전했다.
이 연구는 2006년 시작한 연구(2006년 1월 19일 자 Nature에 실린 표지 기사)의 일환이다. 그 당시, 이미 여러 모양의 고립된 나노 구조의 자기 속성에 관한 상당한 연구가 수행되었다. “우리의 생각은 이러한 나노 자기를 함께 결속하여, 그들의 집단적 행동을 활용할 수 있게끔 상호 작용하게 하고, 자연에서는 존재하지 않는 인공 자기를 산출하는 것”이라고 Nisoli가 말했다. 결과는 고무적이었지만, 연구진은 바로 다양한 문제에 직면했다. 이러한 시스템을 어떻게 무작위화할 것이며, 일관된 자기 앙상블을 어떻게 생성하는 것이 합당한가? 등의 여러 도전이 연구진에게 던져졌다. 이 연구는 전 세계 많은 과학자의 관심을 받았고, 이로 인해, 더 많은 이들이 이러한 새로운 구조에 관한 연구를 시작했다. 이는 많은 새로운 생각과 더 빠른 개발을 이끌 것이라고 Nisoli는 희망했다.
최근, 이 새로운 실험 프로토콜은 열 활성 물질을 가능케 했고, Nisoli는 새로운 수준의 도전에 기반을 둔 기술을 설계하기 시작했다. 도전에 대한 좌절감은 이러한 물질을 설계하는 데 필수적인 성분이다. “흥미롭게도, 삶의 좌절과 마찬가지로, 많은 제약을 한 번에 만족하게 할 수 없다는 사실은 인공 스핀 아이스 물질 연구에서 나타난다. 좌절은 타협을 부르며, 이는 물질을 많은 다양한 단계에서 탐구할 기회를 부여한다. 이러한 제약들을 설계함으로써, 자기 공학은 발전할 것이며, 우리는 원하는 창발적 행동을 얻을 수 있을 것”이라고 그는 말했다. 
(그림) 연구진이 천연 자기에서는 발견되지 않은 형상을 자기 나노 섬을 배열함으로써, 나노 규모의 인공 자기를 생성했다. 온도가 낮아지자, 자기 나노 섬(파란색)은 일차원의 정돈된 정지 상태가 되고, 빨간색은 열에 의해 뒤집혔다. 이 물질은 정도된 상태와 무질서한 상태로 분해된다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
