에너지 절약: 자석 없이 자기를 유도하는 새로운 방법

중성자 산란을 통해 드러난 것처럼, 전기장은 자기 텍스처의 전파 방향을 편향시킨다. 출처: 폴 셰러 연구소 / AI 지원 시각화

폴 셰러 연구소(PSI) 연구진은 에너지 효율적인 전기장을 이용하여 재료의 자성을 제어하는 ​​혁신적인 방법을 시연했습니다. 이 발견은 차세대 에너지 기술, 데이터 저장, 에너지 변환, 의료 기기 등에 유망한 자기전기(magnetoelectrics) 소재에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구 결과는 Nature Communications 저널에 게재되었습니다.

AI와 데이터 센터가 점점 더 많은 에너지를 요구함에 따라 과학자들은 더 스마트하고 친환경적인 기술을 모색하고 있습니다. 바로 이 부분에서 자기전기 소재가 등장합니다. 자기적 특성과 전기적 특성이 결합된 특수 화합물입니다. 이러한 결합을 통해 연구자들은 전기장을 이용하여 자기장을 제어할 수 있으며, 이는 초고에너지 효율 메모리 및 컴퓨팅 장치의 길을 열어줄 수 있습니다.

그러한 자기전기 물질 중 하나는 올리브 그린색 결정구리 옥시셀레나이드(Cu2OSeO₃)입니다. 저온에서 원자 스핀은 독특한 자기적 질감으로 배열되어 나선이나 원뿔과 같은 구조를 형성합니다. 이러한 패턴은 기본 원자 격자보다 훨씬 크고 격자 구조에 고정되지 않아 매우 미세하게 조정 가능합니다.

중성자는 전기장이 자기장을 재지향하는 것을 관찰한다

PSI의 과학자들은 전기장이 구리 옥시셀레나이드 내부의 이러한 자성 구조를 조종할 수 있음을 증명했습니다. 일반적인 물질에서 원자 스핀의 꼬임과 정렬로 형성된 자성 구조는 특정 방향으로 고정되어 있습니다. 하지만 적절한 전압이 가해진 구리 옥시셀레나이드에서는 연구진이 이 자성 구조를 움직여 방향을 바꿀 수 있었습니다.

전기장을 사용하여 재료 내에서 자기 질감의 전파 방향을 연속적으로 재조정할 수 있다는 것은 이번이 처음입니다. 이 효과는 자기전기 편향으로 알려져 있습니다.

연구팀은 자기 구조를 조사하기 위해 스위스 파쇄 중성자원(SINQ)의 SANS-I 빔라인을 사용했습니다. 이 시설은 중성자 빔을 사용하여 나노스케일에서 고체 내 자기 구조의 배열과 방향을 매핑합니다. 맞춤 설계된 샘플 환경을 통해 연구진은 높은 전기장을 인가하는 동시에 소각 중성자 산란(SANS)을 이용하여 결정 내부의 자화를 조사할 수 있었습니다.

PSI의 빔라인 과학자인 조나단 화이트는 "전기장을 이용하여 이처럼 거대한 자기적 질감을 조종할 수 있는 능력은 창의적인 실험과 세계적인 수준의 연구 인프라가 결합되었을 때 어떤 일이 가능한지 보여줍니다."라고 말합니다. "자기전기적 편향과 같은 미묘한 효과를 포착할 수 있는 이유는 SANS-I의 뛰어난 분해능과 다재다능함 때문입니다."

새로운 물리학 부터 새로운 기술까지

새롭게 발견된 자기전기 편향 반응은 그 기저에 있는 물리학에 대한 심층적인 연구를 촉발했습니다. 그들이 발견한 것은 흥미로웠습니다. 자기 구조는 단순히 반응하는 것이 아니라 전기장의 세기에 따라 세 가지 다른 방식 으로 행동했습니다. 낮은 전기장은 자기 구조를 선형적으로 부드럽게 편향시켰습니다. 중간 전기장은 더 복잡하고 비선형적인 행동을 가져왔습니다. 높은 전기장은 자기 구조의 전파 방향으로 극적인 90도 회전을 일으켰습니다.

PSI의 박사후 연구원이자 이 연구의 주저자인 샘 무디는 "이러한 각 영역은 감지 및 저장 장치에 통합될 수 있는 고유한 특징을 나타냅니다."라고 말했습니다. "특히 흥미로운 가능성 중 하나는 인가되는 자기장의 세기를 조절하여 이러한 영역의 시작을 조절할 수 있는 하이브리드 장치입니다."

자기전기 편향 반응은 에너지 집약적인 자기장에 의존하지 않고도 자기를 제어할 수 있는 강력한 새로운 도구를 제공합니다. 연구진이 자기를 조작할 수 있는 높은 수준의 유연성은 지속 가능한 기술 분야의 응용 분야에 있어 이번 발견을 매우 흥미로운 전망으로 만듭니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250617014159.htm