다강체

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1. 개요

다강체는 두 가지 이상의 강성(ferroic) 질서를 갖는 물질을 의미하며, 주로 전기적 분극과 자성을 동시에 나타내는 물질을 지칭한다. 1994년 H.Schmid에 의해 처음 사용되었으며, 2000년대 초 니콜라 스팔딘의 연구를 통해 현대적인 관심을 받기 시작했다. 다강체는 자왜 재료, 고립 전자쌍 활성, 기하학적 강유전성, 전하 정렬, 자성 유도 강유전성, f-전자 자성, 복합 재료 등 다양한 발현 메커니즘을 통해 나타나며, 유형-I과 유형-II로 분류된다. 이러한 물질은 전기장으로 자성을 제어하거나 자기장으로 전기적 특성을 변화시키는 데 활용될 수 있으며, 차세대 메모리, 무선 및 고주파 장치, 우주론 연구 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 다강체는 도메인과 도메인 벽의 특성에 따라 다양한 기능을 나타내며, 현재 활발한 연구가 진행되고 있다.

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다강체
개요
종류	다강체
설명	하나 이상의 강유전성, 강자성, 강탄성과 같은 기본 페로이즘을 나타내는 물질
응용 분야	센서 메모리 장치 스핀트로닉스 장치
특성
강유전성	외부 전기장에 의해 분극 방향을 바꿀 수 있는 특성
강자성	외부 자기장에 의해 자화될 수 있는 특성
강탄성	외부 응력에 의해 변형될 수 있는 특성
작동 원리
자기전기 효과	다강체에서 전기장과 자기장 간의 상호 작용을 이용
연구 동향
박막 연구	다강체 박막의 특성 향상 및 새로운 기능 개발에 집중
나노 구조 연구	다강체 나노 입자 및 나노 와이어 연구
복합 다강체 연구	서로 다른 페로이즘을 결합하여 새로운 특성을 갖는 물질 개발
추가 정보
토로이드 모멘트	응축 물질 물리학에서 자기전기 효과와 관련된 토로이드 모멘트
참고 문헌	Spaldin, Nicola A.; Fiebig, Manfred (2005). Science 309 (5733): 391–2. Spaldin, Nicola A.; Fiebig, Manfred; Mostovoy, Maxim (2008). Journal of Physics: Condensed Matter 20 (43): 434203. Ederer, Claude; Spaldin, Nicola A. (2007). Physical Review B 76 (21): 214404. Ramesh, R.; Spaldin, Nicola A. (2007). Nature Materials 6 (1): 21–29.

2. 역사

다강체라는 말은 1994년 H.Schmid가 처음 사용하였는데, 그는 다강체를 두 개 이상의 강성(ferroic) 질서를 가지는 물질로 정의하였다. 오늘날 다강체라는 말은 강유전성과 (반)강자성이 공존하는 물질들을 통칭한다.^[5]

다강체의 역사: 연도별 자왜성 또는 자왜 효과(파란색) 및 다강체(빨간색)에 대한 논문 수

2000년대 초, N. A. 스팔딘의 2000년 논문 "왜 자기 강유전체가 거의 없는가?"는 자성과 강유전성 사이의 모순 기원을 설명하고 이를 우회하는 실용적인 방법을 제안하여 다강체 물질에 대한 현대적인 관심을 불러일으켰다. 이후 TbMnO₃ 와 TbMn₂O₅ 등 새로운 다강체 물질들이 발견되면서 관련 연구가 급증했다.

2. 1. 자왜 재료

자왜 효과 재료는 전기장으로 자기적 특성을 변화시키고, 반대로 자기장으로 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 자왜 재료가 반드시 다강체일 필요는 없지만, 모든 강자성 강유전성 다강체는 선형 자왜 재료이다. 선형 자왜 재료에서는 인가된 전기장이 그 크기에 선형적으로 비례하는 자화 변화를 유도한다.^[11] 자왜 현상은 1959년에 처음 예측되었고, 1년 후 I. E. Dzyaloshinskii가 대칭성 논증을 사용하여 Cr₂O₃ 물질이 선형 자왜 거동을 보일 것이라고 예측했다.^[12] 그의 예측은 D. Astrov에 의해 빠르게 검증되었다.

3. 발현 메커니즘

다강체에서 강유전성과 자성이 동시에 나타나는 현상은 한 가지 원리로 설명하기 어렵다. 여러 메커니즘이 복합적으로 작용하여 다강성을 발현시키는데, 주요 메커니즘은 다음과 같이 분류할 수 있다.

구조적 극성이 생성되는 온도(~1560℃)와 전기적 극성이 생성되는 온도(~1020℃)의 차이가 크다는 점이 원인 규명의 실마리가 되었다. 전기적 극성이 나타나기 전, 구조적 극성이 먼저 나타나면 원자의 이동을 분석할 수 있다. 이때 전기적 극성은 원자의 대칭적/비대칭적 이동이 짝을 이루면서 나타나며, 이로 인해 다강체가 강유전성과 강자성을 동시에 가질 수 있게 된다.

1560℃에서 구조적 극성이 나타날 때는 대칭적인 원자 이동이 주된 영향을 미쳐 전기적 극성은 나타나지 않는다. 하지만 1020℃에서는 비대칭적 원자 이동과 대칭적 원자 이동이 함께 짝을 이루어 전기적 극성이 나타나게 된다.

일반적으로 강유전체는 외부 전기장에 의해 자발적인 전기 분극이 전환될 수 있어야 한다. 이러한 전기 분극은 중심 대칭 구조에서 반전 대칭을 깨는 구조적 변형을 통해 나타난다. 예를 들어, 대표적인 강유전체인 티탄산 바륨(BaTiO₃)은 페로브스카이트 구조를 가지는데, 강유전 상태에서는 Ti⁴⁺ 이온이 중심에서 벗어나면서 분극을 유발한다. 이러한 변위는 B-사이트 양이온 (Ti⁴⁺)이 빈 ''d'' 껍질을 가질 때, 주변 산소 음이온과 공유 결합을 형성하여 에너지를 낮추기 때문에 발생한다.^[5]

하지만, 대부분의 전이 금속 산화물에서 자성은 부분적으로 채워진 ''d'' 껍질 때문에 나타나기 때문에, "d⁰성" 요구 조건^[5]은 다강체 형성에 어려움을 준다. 따라서 대부분의 다강체는 다른 메커니즘을 통해 강유전성을 나타낸다.^[14]

3. 1. 고립 전자쌍 활성 (Lone-pair-active)

단일 쌍 활성 다강체에서, 강유전 변위는 A-자리 양이온에 의해 유도되며, 자성은 B 자리에 부분적으로 채워진 ''d'' 껍질에서 발생한다.^[5] 예시로는 비슴트 페라이트(BiFeO₃),^[15] BiMnO₃ (이것은 반극성으로 여겨진다),^[16] 및 PbVO₃가 있다.^[17] 이 물질들에서 A-자리 양이온(Bi³⁺, Pb²⁺)은 소위 입체 화학적으로 활성인 ''6s²'' 전자 고립 쌍을 가지며, A-자리 양이온의 중심 이탈은 형식적으로 비어있는 A-자리 ''6p'' 오비탈과 채워진 O ''2p'' 오비탈 사이의 에너지 감소 전자 공유에 의해 선호된다.^[18]

3. 2. 기하학적 강유전성 (Geometric ferroelectricity)

기하학적 강유전체에서, 극성 강유전 상태로 이어지는 구조적 상전이의 추진력은 전자 공유 결합 형성보다는 다면체의 회전 왜곡이다. 이러한 회전 왜곡은 많은 전이 금속 산화물에서 발생한다. 예를 들어, 페로브스카이트에서 A-사이트 양이온이 작아 산소 팔면체가 그 주위로 붕괴될 때 흔히 나타난다. 페로브스카이트에서 다면체의 3차원 연결성은 순수 분극이 발생하지 않음을 의미한다. 하나의 팔면체가 오른쪽으로 회전하면 연결된 이웃은 왼쪽으로 회전하는 식이다. 그러나 층상 재료에서 이러한 회전은 순수 분극으로 이어질 수 있다.

전형적인 기하학적 강유전체는 층상 바륨 전이 금속 플루오라이드 BaMF₄ (M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn)이며, 약 1000K에서 강유전성 전이, 약 50K에서 반강자성 상태로의 자기적 전이를 보인다.^[19] 왜곡은 d-사이트 양이온과 음이온 사이의 혼성화에 의해 유발되지 않으므로, B-사이트의 자성과 호환되어 멀티페로익 거동을 가능하게 한다.^[20]

두 번째 예는 육각형 희토류 망가나이트족(h-''R''MnO₃, ''R''=Ho-Lu, Y) 계열에서 제공되며, 이는 MnO₅ 이중 피라미드의 기울기를 주로 포함하는 약 1300 K에서 구조적 상전이를 보인다.^[10] 기울기 자체는 분극이 없지만, 이는 약 6μC/cm²의 분극을 생성하는 ''R''-이온 층의 극성 골고루에 결합한다. 강유전성은 주요 질서 매개변수가 아니기 때문에 "부적절한" 것으로 묘사된다. 멀티페로익 상은 스핀 좌절로 인한 삼각 반강자성 질서가 발생하는 ~100K에서 도달한다.^[21]^[22]

3. 3. 전하 정렬 (Charge ordering)

전하 정렬은 고온에서 전자가 비편재화되어 있다가 서로 다른 양이온 위치에 정렬된 패턴으로 국지화되어 물질이 절연체가 될 때 혼합 원자가 이온을 포함하는 화합물에서 발생할 수 있다. 국지화된 전자의 패턴이 극성을 띠면 전하 정렬 상태는 강유전성을 띤다. 일반적으로 이러한 경우에 이온은 자성을 띠게 되며, 따라서 강유전 상태는 다강체이기도 하다.^[23] 전하 정렬 다강체의 첫 번째 예시로 제안된 것은 LuFe₂O₄로, 330,000에서 Fe²⁺와 Fe³⁺ 이온의 배열을 가지고 전하 정렬을 보인다.^[24] 강자성 정렬은 240,000 이하에서 발생한다. 그러나 전하 정렬이 극성을 띠는지 여부에 대해서는 최근에 의문이 제기되었다.^[25] 또한, 마그네타이트(Fe₃O₄)는 Verwey 전이^[26] 이하에서 전하 정렬 강유전성을 보이며, 에서도 전하 정렬 강유전성이 제안되었다.^[23]

3. 4. 자성 유도 강유전성 (Magnetically-driven ferroelectricity)

거시적인 전기 분극은 비중심대칭 장거리 자기 정렬에 의해 유도된다.^[27] 형식적으로, 전기 분극

\mathbf{P}

는 자화

\mathbf{M}

으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\mathbf{P} \sim \mathbf{M} \times (\nabla_{\mathbf{r}} \times \mathbf{M})

.

앞에서 논의한 기하학적 강유전체와 마찬가지로, 강유전성은 부적절하다. 분극이 강유전 상전이의 주요 질서 매개변수(이 경우 주요 질서는 자화)가 아니기 때문이다.

전형적인 예는 TbMnO3에서 28K 이하에서 작은 강유전 분극을 동반하는 비중심대칭 자기 스파이럴 상태의 형성이다.^[8] 이 경우 분극은 10⁻² μC/cm²로 작다. 비중심대칭 스핀 구조와 결정 격자를 결합하는 메커니즘이 약한 스핀-궤도 결합이기 때문이다. 더 큰 분극은 비중심대칭 자기 정렬이 더 강한 초교환 상호작용에 의해 발생하는 경우, 예를 들어 사방정계 HoMnO3 및 관련 물질에서 발생한다.^[28] 두 경우 모두 자왜 결합이 강하다. 강유전성이 자기 정렬에 의해 직접적으로 발생하기 때문이다.

3. 5. f-전자 자성 (f-electron magnetism)

A 자리에 부분적으로 채워진 f 전자를 가진 희토류 이온을 사용하면 자성을 유발하고, 이를 통해 강유전성을 유도할 수 있다. 한 예로 EuTiO₃가 있는데, 이는 주변 조건에서는 강유전성을 띄지 않지만 약간의 변형을 가하거나,^[29] A 자리에 일부 바륨을 치환하여 격자 상수를 확장하면 강유전성을 띈다.^[30]

3. 6. 복합 재료 (Composites)

강유전성 재료와 자성 재료를 결합하여 다강성을 구현한다. 예를 들어 FeRh^[31]와 같은 자성 재료와 PMN-PT와 같은 강유전성 재료를 결합한 복합재, Metglass/PVDF/Metglass 3층 구조^[32] 등이 있다. 최근에는 강유전성 및 반강자성 LuFeO₃의 개별 층이 초격자 내에서 강자성이지만 비극성인 LuFe₂O₄와 교대로 구성되는 원자 규모의 다강성 복합재의 층별 성장이 시연되었다.^[33]

4. 분류

다강체는 강유전성과 자성의 발생 원인 및 상호작용 방식에 따라 유형-I과 유형-II로 분류할 수 있다.

유형-I 다강체: 강유전성과 강자성이 서로 다른 온도에서 발생하고, 서로 다른 메커니즘에서 비롯된다. BiFeO₃, YMnO3 등이 여기에 속한다.
유형-II 다강체: 자기 정렬이 반전 대칭을 깨고 직접적으로 강유전성을 유발한다. TbMnO3(TbMnO₃) 등이 여기에 속하며, 유형-I 다강체보다 강유전 분극이 작다.

4. 1. 유형-I 다강체 (Type-I multiferroics)

강유전성과 강자성이 서로 다른 온도에서 발생하고, 서로 다른 메커니즘에서 비롯되는 물질을 '유형-I 다강체'라고 한다. 일반적으로 강유전성을 유발하는 구조적 왜곡은 고온에서 발생하며, 보통 반강자성인 자기 정렬은 더 낮은 온도에서 시작된다.^[40]

전형적인 예는 BiFeO₃(T_C=1100 K, T_N=643 K)로, 강유전성은 Bi³⁺ 이온의 입체 화학적으로 활성인 고립 전자쌍에 의해 유발되고, 자기 정렬은 일반적인 초교환 메커니즘에 의해 발생한다. YMnO3(T_C=914 K, T_N=76 K) 또한 유형-I에 해당하지만, 강유전성은 소위 "부적절한" 것으로, 다른 (1차) 구조적 왜곡에서 발생하는 이차적인 효과를 의미한다.^[41]

자성과 강유전성이 독립적으로 나타난다는 것은 두 특성의 도메인이 서로 독립적으로 존재할 수 있다는 것을 의미한다. 대부분의 유형-I 다강체는 선형 자기 전기 응답뿐만 아니라 자기 상 전이에서 유전율의 변화를 보인다.

4. 2. 유형-II 다강체 (Type-II multiferroics)

자기 정렬이 반전 대칭을 깨고 직접적으로 강유전성을 "유발"하는 물질을 유형-II 다강체라고 부른다. 이 경우 두 현상의 정렬 온도는 동일하다. 전형적인 예는 TbMnO3(TbMnO₃)^[42]인데, 28 K에서 비중심대칭 자기 나선과 함께 강유전 분극이 시작된다. 동일한 전이가 두 가지 효과를 모두 유발하므로, 이는 구조적으로 강하게 결합되어 있다. 그러나 강유전 분극은 유형-I 다강체의 분극보다 수십 배 작아, 일반적으로 10⁻² μC/cm² 정도이다.^[40] 모트 절연체 전하 이동 염 BEDT-TTF|한국어 발음 표기^영어₂Cu[N(CN)₂]Cl^[43]에서도 반대의 효과가 보고되었다. 여기서는 극성 강유전 사례로의 전하 정렬 전이가 자기 정렬을 유발하며, 이 역시 강유전과, 이 경우 반강자성 정렬 사이의 밀접한 결합을 제공한다.

5. 대칭성 및 결합

강유전성 정렬은 공간 반전 대칭성이 깨질 때 발생하고, 강자성은 시간 반전 대칭성이 깨질 때 발생한다. 이러한 대칭성 파괴는 상전이 매개변수로 설명할 수 있으며, 여러 개의 동등한 바닥 상태를 초래한다. 강전성은 공간 반전 및 시간 반전 하에서 상전이 매개변수의 거동으로 특징지을 수 있다. 공간 반전 연산은 분극의 방향을 반전시키지만 자화는 불변으로 유지한다. 반면에 시간 반전 연산은 자화의 부호를 변경하고 분극의 부호는 불변으로 유지한다.

	공간 반전 대칭	공간 반전 반대칭
시간 반전 대칭	강탄성체	강유전체
시간 반전 반대칭	강자성체	자전기 다강체

자전기 다강체는 강자성이면서 강유전체이기 때문에 공간 반전과 시간 반전 모두에 대해 반대칭적이다.

다강체에서 이러한 대칭성 파괴의 조합은 상전이 매개변수 간의 결합을 유발한다. 이러한 결합은 압전성을 가지는 강탄성 강유전체가 전기장으로 형태 변화를 일으키거나 압력이 전압을 유발할 수 있는 것과, 압자성 거동을 보이는 강탄성 강자성체와 같이, 하나의 강전성 특성을 다른 특성의 공액장으로 조작할 수 있게 한다. 특히 전기장으로 자성을 제어하는 것은 자기장보다 에너지 요구량이 낮기 때문에 기술적으로 유용하다.

6. 응용

다강체는 하드디스크와 D램의 성질을 모두 갖춘 차세대 비휘발성 메모리로 활용될 수 있다. 특히, 비스무트 철 산화물은 상전이 온도가 상온이라는 점에서 응용 가능성이 크다.^[36]^[37]^[38]^[39]

6. 1. 자성의 전기장 제어

다강체 탐구의 주요 기술적 동기는 자기-전기 결합을 통해 전기장으로 자성을 제어할 수 있다는 가능성이었다. 이러한 능력은 기술적으로 혁신적일 수 있는데, 이는 전기장 생산이 대부분의 기존 자성 기반 기술에 사용되는 자기장(이는 다시 전기 전류를 필요로 함) 생산보다 에너지 집약도가 훨씬 낮기 때문이다. 전기장을 사용하여 자성의 ''방향''을 제어하는 데 성공한 사례가 있는데, 예를 들어 기존의 강자성 금속과 다강체 BiFeO₃의 이종 구조체에서,^[44] FeRh에서 반강자성에서 강자성으로 자기 ''상태''를 제어하는 데도 성공했다.^[45]

다강체 박막에서 결합된 자기 및 강유전성 순서 매개변수는 자기 전자 장치를 개발하는 데 활용될 수 있다. 여기에는 전기장 튜닝 가능한 기능을 갖춘 스핀트로닉스 장치, 예를 들어 터널 자기 저항 (TMR) 센서 및 스핀 밸브와 같은 새로운 장치가 포함된다. 전형적인 TMR 장치는 다강체 박막으로 만들어진 얇은 터널 장벽(~2 nm)으로 분리된 두 개의 강자성 물질 층으로 구성된다.^[46] 이러한 장치에서 장벽을 가로지르는 스핀 수송은 전기적으로 튜닝될 수 있다. 또 다른 구성에서 다강체 층은 교환 바이어스 고정 층으로 사용될 수 있다. 다강체 고정 층의 반강자성 스핀 방향을 전기적으로 조정할 수 있다면, 가해진 전기장에 의해 장치의 자기 저항을 제어할 수 있다.^[47] 전기적 편광과 자기적 편광 모두에 데이터가 저장되는 다중 상태 메모리 소자도 탐구할 수 있다.

벌크 형태의 다강체 복합 구조는 고감도 교류 자기장 센서 및 필터, 발진기, 위상 변이 장치와 같은 전기적으로 튜닝 가능한 마이크로파 장치에 사용된다. (여기에서 강자성, 연자성 또는 반강자성 공명은 자기적으로 튜닝하는 대신 전기적으로 튜닝된다).^[48]

6. 2. 무선 및 고주파 장치

벌크 형태의 다강체 복합 구조는 고감도 교류 자기장 센서, 필터, 발진기, 위상 변이 장치와 같은 전기적으로 튜닝 가능한 마이크로파 장치에 사용된다.^[48] (여기에서 강자성, 연자성 또는 반강자성 공명은 자기적으로 튜닝하는 대신 전기적으로 튜닝된다).^[48]

6. 3. 기타 응용

다강체는 하드디스크와 D램의 성질을 모두 갖춘 차세대 비휘발성 메모리로 활용될 수 있다. 특히, 비스무트 철 산화물은 상전이 온도가 상온이라는 점에서 응용 가능성이 크다.^[36]^[37]^[38]^[39]

전기장을 사용하여 자성을 제어할 수 있다는 점은 다강체의 주요 기술적 동기이다. 전기장은 기존의 자성 기반 기술에 사용되는 자기장보다 에너지 집약도가 훨씬 낮기 때문에, 이러한 능력은 기술 혁신으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 강자성 금속과 다강체 BiFeO₃의 이종 구조체에서 전기장을 사용하여 자성의 방향을 제어하는 데 성공한 사례가 있다.^[44] FeRh에서는 반강자성에서 강자성으로 자기 상태를 제어하는 데 성공했다.^[45]

다강체 박막의 결합된 자기 및 강유전성 순서 매개변수는 자기 전자 장치 개발에 활용될 수 있다. 여기에는 터널 자기 저항(TMR) 센서 및 스핀 밸브와 같이 전기장 튜닝 가능한 기능을 갖춘 스핀트로닉스 장치가 포함된다.^[46] 다강체 고정 층의 반강자성 스핀 방향을 전기적으로 조정할 수 있다면, 가해진 전기장에 의해 장치의 자기 저항을 제어할 수 있다.^[47] 전기적 편광과 자기적 편광 모두에 데이터가 저장되는 다중 상태 메모리 소자도 연구될 수 있다.

다강체는 우주론 및 입자 물리학의 근본적인 질문을 해결하는 데 사용되기도 한다.^[49] 예를 들어, 전자의 전기 쌍극자 모멘트 탐색에 활용되었으며, 이 값을 통해 소립자 물리학 이론에 중요한 제약을 가할 수 있다.^[50] 또한, 육각형 망가나이트의 특이한 강유전 상전이가 초기 우주 상전이와 공통적인 대칭 특성을 갖는 것으로 밝혀져, 초기 우주 물리학 연구에 활용될 수 있다.^[51]^[52]

최근에는 다강체 비스무트 페라이트에서 광기전 효과,^[53] 광촉매 작용,^[54] 가스 감지 거동^[55] 등 예상치 못한 응용 분야도 확인되었다.

다강체 박막은 태양 전지에 적용되어 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있도록 개발되었다. Bi2FeCrO6와 같이 이중 페로브스카이트 다층 산화물의 밴드갭을 조정하는 새로운 접근 방식도 연구되고 있다.^[56]

7. 동역학

다강체 시스템의 동역학 연구는 강유전 정렬 간의 시간 변화, 특히 외부에서 가해지는 장에 의한 변화를 이해하는 데 초점을 맞춘다. 이 분야는 동역학의 결합된 특성을 활용하는 새로운 응용 분야에 대한 기대와 기본적인 다강체(MF) 여기(excitation)를 근본적으로 이해하여 새로운 물리학을 탐구할 수 있다는 점이 연구 동기이다.

자기전기 결합 기반 기술의 핵심은 전기장으로 재료의 거시적 자기 특성을 조작하는 스위칭 프로세스이다. 이 프로세스는 도메인 및 도메인 벽의 동역학으로 설명된다. 현재 연구는 스위칭 시간을 초당 분수("준"-정적 영역)에서 나노초 범위, 더 나아가 그 이상으로 최소화하는 것을 목표로 한다.

피코초, 펨토초, 아토초 규모의 초고속 프로세스는 현대 과학의 최전선에 있는 광학적 방법으로 구동 및 연구된다. 초고속 프로세스의 예시로는 40 fs 800 nm 레이저 펄스로 여기(excitation) 시켰을 때 CuO에서 선형 반강자성 상태에서 나선형 반강자성 상태로 전환되는 것^[62], 반강자성 NiO에서 THz 방사선을 이용하여 스핀파를 직접 제어하는 것^[63] 등이 있다. 이는 자기전기 동역학의 혼합 특성으로 매개되는 다강체의 전기적, 자기적 특성 스위칭이 초고속 데이터 처리, 통신, 양자 컴퓨팅 장치로 이어질 수 있음을 보여주는 유망한 사례이다.

다강체(MF) 동역학의 현재 연구는 초고속 도메인 스위칭의 실용적 구현 및 시연, 튜닝 가능한 동역학 기반의 새로운 응용 분야 개발(예: 유전 특성의 주파수 의존성), 여기의 혼합 특성(예: ME의 경우, 혼합 포논-마그논 모드 - '전자기파')에 대한 근본적 이해, 다강체(MF) 결합 관련 새로운 물리학의 잠재적 발견 등 미해결 질문에 답하는 것을 목표로 한다.

7. 1. 동적 다강성 (Dynamical multiferroicity)

최근 전기 분극이 공간적으로 변화하는 자기 질서에 의해 생성될 수 있는 것처럼, 자성은 시간적으로 변화하는 분극에 의해 생성될 수 있다는 점이 지적되었다. 이 현상은 '동적 다강성'이라고 불린다.^[57] 자화(

\mathbf{M}

)는 다음과 같이 주어진다.

\mathbf{M} \sim \mathbf{P} \times \frac{\partial \mathbf{P}}{\partial t}

여기서

\mathbf{P}

는 분극이며,

\times

는 벡터 곱을 나타낸다. 동적 다강성 형식은 다음과 같은 다양한 현상의 기반이 된다:^[57]

포논 제만 효과(Phonon Zeeman effect): 반대 원형 편광을 갖는 포논이 자기장에서 서로 다른 에너지를 갖는 현상. 실험적 검증을 기다리고 있다.
광학적으로 구동되는 포논에 의한 공명 마그논 여기.^[58]
자일로신스키-모리야형(Dzylaoshinskii-Moriya) 일렉트로마그논.^[59]
역 패러데이 효과(Inverse Faraday effect).^[60]
양자 임계성의 이국적인 형태.^[61]

7. 2. 동적 프로세스 (Dynamical processes)

최근, 공간적으로 변화하는 자기 질서에 의해 전기 분극이 생성될 수 있는 것처럼, 시간적으로 변화하는 분극에 의해 자성이 생성될 수 있다는 점이 지적되었다. 그 결과 현상은 ''동적 다강체''라고 불렸다.^[57] 동적 다강체 형식은 다음과 같은 다양한 현상의 기초가 된다:^[57]

포논 제만 효과(Phonon Zeeman effect): 반대 원형 편광을 갖는 포논이 자기장에서 서로 다른 에너지를 갖는 현상이다.
광학적으로 구동되는 포논에 의한 공명 마그논 여기.^[58]
Dzylaoshinskii-Moriya형 일렉트로마그논.^[59]
역 패러데이 효과(Inverse Faraday effect).^[60]
양자 임계성의 이국적인 형태.^[61]

다강체 시스템의 동역학 연구는 강유전 정렬 간의 시간 진화, 특히 외부 인가된 장 하에서의 시간 진화를 이해하는 데 중점을 둔다. 이 분야의 연구는 동역학의 결합된 특성에 의존하는 새로운 유형의 응용 분야에 대한 기대와 기본 다강체(MF) 여기의 근본적인 이해의 핵심에 놓여 있는 새로운 물리학 탐구를 통해 동기를 부여받고 있다.

자기전기 결합을 기반으로 하는 제안된 기술의 핵심은 스위칭 프로세스이며, 이는 전기장으로 재료의 거시적인 자기적 특성을 조작하는 과정을 설명한다. 이러한 프로세스의 많은 물리학은 도메인 및 도메인 벽의 동역학에 의해 설명된다. 현재 연구의 중요한 목표는 스위칭 시간을 초당 분수("준"-정적 영역)에서 나노초 범위 및 그 이상으로 최소화하는 것이다.

피코초, 펨토초, 심지어 아토초 규모로 작동하는 초고속 프로세스는 현대 과학의 최전선에 있는 광학적 방법을 사용하여 구동되고 연구된다. 초고속 프로세스의 한 가지 예시는 40 fs 800 nm 레이저 펄스에 의한 여기 하에서 CuO에서 선형 반강자성 상태에서 나선형 반강자성 상태로의 스위칭이다.^[62] 두 번째 예시는 반강자성 NiO에서 THz 방사선을 이용한 스핀파의 직접 제어 가능성을 보여준다.^[63] 이는 자기전기 동역학의 혼합 특성에 의해 매개되는 다강체에서 전기적 및 자기적 특성의 스위칭이 초고속 데이터 처리, 통신 및 양자 컴퓨팅 장치로 이어질 수 있음을 보여주는 유망한 예시이다.

다강체(MF) 동역학에 대한 현재 연구는 초고속 도메인 스위칭의 실용적인 구현 및 시연, 튜닝 가능한 동역학을 기반으로 하는 추가 새로운 응용 분야 개발(예: 유전 특성의 주파수 의존성), 여기의 혼합 특성에 대한 근본적인 이해(예: ME의 경우, 혼합 포논-마그논 모드 - '전자기파'), 그리고 다강체(MF) 결합과 관련된 새로운 물리학의 잠재적 발견과 같은 다양한 미해결 질문에 답하는 것을 목표로 한다.

8. 도메인 및 도메인 벽

전기 분극(전하로 표시된 전기 쌍극자)과 자화(빨간색 화살표) 모두 두 개의 반대 방향을 갖는 강유전성 강자성체의 가능한 네 가지 도메인 상태의 개략적인 그림. 도메인은 벽을 가로질러 변하는 순서 매개변수로 분류되는 다양한 유형의 도메인 벽으로 구분됩니다.

다강체는 모든 강유전체와 마찬가지로 도메인으로 나뉜다. 도메인은 순서 매개변수의 방향과 위상이 일정한, 공간적으로 확장된 영역이다. 인접한 도메인은 도메인 벽이라고 하는 전이 영역으로 구분된다.

8. 1. 다강체 도메인의 특성

모든 강유전체 재료와 마찬가지로 다강체 시스템은 도메인으로 분할된다. 도메인은 순서 매개변수의 방향과 위상이 일정한 공간적으로 확장된 영역이다. 인접한 도메인은 도메인 벽이라고 하는 전이 영역으로 구분된다.

단일 강유전성 정렬을 가진 물질과 대조적으로, 다강체 내의 도메인은 추가적인 특성과 기능을 갖는다. 예를 들어, 이들은 적어도 두 개의 질서 매개변수의 집합으로 특징지어진다.^[64] 질서 매개변수는 독립적일 수 있고(I형 다강체의 일반적인 특징이지만 필수적이지는 않음) 결합될 수도 있다(II형 다강체의 필수 조건).

다강체 내의 도메인을 단일 강유전성 정렬을 가진 물질의 도메인과 구별하는 많은 뛰어난 특성은 질서 매개변수 간의 결합의 결과이다.

결합은 다강체에만 해당하는 도메인의 분포 및/또는 위상을 갖는 패턴으로 이어질 수 있다.
질서 매개변수 결합은 일반적으로 도메인 전체에서 균일하며, 즉, 기울기 효과는 무시할 수 있다.
어떤 경우에는 도메인 패턴의 평균 순 질서 매개변수 값이 개별 도메인의 질서 매개변수 값보다 결합에 더 중요하다.^[65]

이러한 문제들은 이러한 물질에 대한 현재의 관심을 설명하는 새로운 기능으로 이어진다.

8. 2. 다강체 도메인 벽의 특성

도메인 벽은 한 도메인에서 다른 도메인으로 질서 매개변수를 전달하는 완충 역할을 하는, 공간적으로 확장된 전이 영역이다. 도메인에 비해 도메인 벽은 균일하지 않으며 낮은 대칭성을 가질 수 있다. 이는 다강체의 특성과 질서 매개변수의 결합을 수정할 수 있다. 다강체 도메인 벽은 특정 정적^[66] 및 동적^[67] 특성을 나타낼 수 있다.

정적 특성은 정지된 벽을 의미하며, 다음과 같은 원인으로 발생할 수 있다.

차원 감소
벽의 유한한 폭
벽의 다른 대칭성
벽 내의 고유한 화학적, 전자적 또는 질서 매개변수 불균일성과 그에 따른 기울기 효과^[68]

9. 합성

다강체는 고상 합성,^[69] 수열 합성, 졸-젤 공정, 진공 증착, 부유대법을 포함한 다양한 방법으로 합성할 수 있다.

일부 다강체는 다음과 같은 특수한 처리 기술이 필요하다.

MBE, PLD 같은 진공 기반 증착은 박막 증착에 사용된다. 이는 변형 매개 다강체, 이종 구조, 이방성 등 2차원 적층 구조에서 이점을 가진다.
고압 고상 합성은 준안정 또는 고도로 뒤틀린 구조를 안정화하거나, 비스무트 기반 다강체의 경우 비스무트의 높은 휘발성 때문에 사용된다.

10. 물질 목록

현재까지 확인된 대부분의 다강체 물질은 전이 금속 산화물이며, 이는 (보통 ''3d'') 전이 금속과 산소, 그리고 종종 주족 양이온으로 구성된 화합물이다. 전이 금속 산화물이 다강체 연구에 적합한 이유는 다음과 같다.

전이 금속의 국소화된 3d 전자는 부분적으로 전자로 채워지면 일반적으로 자성을 띤다.
산소는 주기율표에서 "이상적인 위치"에 있으며, 전이 금속과 형성하는 결합이 이온성(인접한 불소, F처럼)도 공유 결합성(인접한 질소, N처럼)도 아니다. 결과적으로, 전이 금속과의 결합은 분극성이 매우 커서 강유전성에 유리하다.
전이 금속과 산소는 지구에 풍부하고, 무독성이며, 안정적이고, 환경 친화적인 경향이 있다.

많은 다강체는 페로브스카이트 구조를 가지고 있다. 이는 부분적으로 역사적인 이유(대부분의 잘 연구된 강유전체는 페로브스카이트)와 부분적으로는 구조의 높은 화학적 다양성 때문이다.

다음은 강유전성 및 자성 정렬 온도와 함께 가장 잘 연구된 다강체 목록이다. 물질이 둘 이상의 강유전성 또는 자성 상 전이를 나타내는 경우, 다강체 거동과 가장 관련이 있는 것이 제공된다.

임계 온도
물질	강유전성 T_C (K)	자성 T_N 또는 T_C (K)	강유전성의 유형
BiFeO₃	1100	653	고립 전자쌍
h-YMnO₃	920^[70]^[71]	80	기하학적 (부적절한)
BaNiF₄			기하학적 (적절한)
PbVO₃			고립 전자쌍
BiMnO₃			고립 전자쌍
LuFe₂O₄			전하 정렬
HoMn₂O₅	39^[72]		자기적으로 유도됨
h-HoMnO₃	873^[71]	76	기하학적 (부적절한)
h-ScMnO₃		129^[71]	기하학적 (부적절한)
h-ErMnO₃	833^[71]	80	기하학적 (부적절한)
h-TmMnO₃	>573^[71]	86	기하학적 (부적절한)
h-YbMnO₃	993^[71]	87	기하학적 (부적절한)
h-LuMnO₃	>750^[71]	96	기하학적 (부적절한)
K₂SeO₄			기하학적
Cs₂CdI₄			기하학적
TbMnO₃	27	42^[73]	자기적으로 유도됨
Ni₃V₂O₈	6.5^[74]
MnWO₄	13.5^[75]		자기적으로 유도됨
CuO	230^[76]	230	자기적으로 유도됨
ZnCr₂Se₄	110^[77]	20
LiCu₂O₂	^[78]
Ni₃B₇O₁₃I	^[79]

11. 다강체 관련 리뷰

다강체 연구는 여러 학술지에 리뷰 논문으로 발표되며 재료 과학 분야의 주요 연구 주제 중 하나로 자리매김하고 있다. 다음은 다강체 관련 주요 리뷰 논문들이다.

저자	발표 연도	제목	학술지	DOI/기타 링크
스팔딘, N. A.	2020	자성 제어에 전기장 활용을 넘어선 다강체	Proc. R. Soc. A	[https://doi.org/10.1098/rspa.2019.0542 10.1098/rspa.2019.0542]
스팔딘, N. A.; Ramesh, R.	2019	자전기 다강체의 발전	Nature	[https://doi.org/10.1038/s41563-018-0275-2 10.1038/s41563-018-0275-2]
스팔딘, N. A.	2017	다강체: 과거, 현재, 그리고 미래	MRS Bulletin	[https://doi.org/10.1557/mrs.2017.86 10.1557/mrs.2017.86]
스팔딘, N. A.	2017	다강체: 우주적으로 거대한 것에서 원자보다 작은 것까지	Nature Reviews Materials	[https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.17 10.1038/natrevmats.2017.17]
Fiebig, M.; Lottermoser, Th.; Meier, D.; Trassin, M.	2016	다강체의 진화	Nature Reviews Materials	[https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.46 10.1038/natrevmats.2016.46]
Dong, S.; Liu, J.-M.; Cheong, S.-W.; Ren, Z. F.	2015	다강성 재료 및 자전기 물리학: 대칭성, 얽힘, 여기 및 위상	Advances in Physics	[https://doi.org/10.1080/00018732.2015.1114338 10.1080/00018732.2015.1114338]
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