UNIST 연구진, 실험으로 위상부도체 가려낼 방법 제안

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 울산과학기술원은 자연과학부 박노정 교수팀이 물질에 한 방향으로 전압을 주면 나타나는 '스핀 홀 전도도'를 이용해 위상부도체를 구분할 수 있다는 것을 입증했다고 25일 밝혔다. 왼쪽부터 박노정 교수, 신동빈 박사. 2019.02.25. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 국내 연구진이 전기가 흐르지 않는 물질인 부도체 중 별난 물질인 위상부도체를 실험으로 직접 가려내는 방법을 제안해 눈길을 끌고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부 박노정 교수팀이 물질에 한 방향으로 전압을 주면 나타나는 '스핀 홀 전도도'를 이용해 위상부도체를 구분할 수 있다는 것을 입증했다고 25일 밝혔다.

이번 연구를 통해 수학적으로 유도된 방식 아닌 실험으로 관측할 수 있는 물리량을 통해 위상부도체의 특성을 구분해낼 수 있다는 것이 밝혀졌다.

실리콘 반도체의 한계 때문에 만들기 어려웠던 초미세 전자장치 개발에 기여할 것으로 연구진은 전망했다.

우리 주변의 물질은 전기가 흐르는지 여부(전도도)를 기준으로 도체와 부도체로 나누거나, 자기장의 영향을 받는지에 따라 자성체와 비성체로 구분할 수 있다.

그러나 이런 기준만으로는 극한 환경에서 나타나는 별난 물질들을 모두 설명하기 어려워 '위상(phase)'이라는 수학적 개념이 도입됐다.

수학에서 위상은 반복되는 파동의 주기에서 시작점의 각도나 한 순간의 위치를 말한다. 물질의 경우 원자 속 전자의 파동이 위상 차이를 가져온다.

전자의 파동 특성은 수학적으로 계산 가능해 어떤 물질이 위상부도체인지 증명할 수 있었지만, 실험을 통한 측정값으로 위상부도체를 구분하고 자세한 특성을 파악하는 방법은 아직까지 나오지 않았다.

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 울산과학기술원은 자연과학부 박노정 교수팀이 물질에 한 방향으로 전압을 주면 나타나는 '스핀 홀 전도도'를 이용해 위상부도체를 구분할 수 있다는 것을 입증했다고 25일 밝혔다. 스핀 홀 전도도 측정의 모식도. 2019.02.25. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

박 교수팀은 위상부도체를 가리는 측정값으로 '스핀 홀 전도도'가 적당하다는 것을 입증했다.

전자의 자전을 말하는 스핀은 물질마다 고유한 형태를 가진다. 물질 내부에 있는 스핀들이 평형을 이루는 위상부도체에 전기를 흘려주면 같은 방향의 스핀끼리 정렬되는 현상이 나타나는 데 이러한 현상을 관측해 스핀 홀 전도도를 측정할 수 있다.

물질에 전압과 자기장을 동시에 걸어서 나타나는 전자의 이동 특성인 홀 전도도는 보통 자기장이 커질수록 늘어나며 연속적으로 상승한다. 미시세계에서는 연속적으로 바뀌지 않고 계단을 오르듯 증가한다.

이런 현상을 '양자화된 홀 전도도'라고 하는데 별난 물질에서 유사한 현상을 볼 수 있다.

연구진의 계산에 따르면 스핀 홀 전도도 역시 위상부도체라는 별난 물질에서만 '양자화된 스핀홀 전도도'를 나타냈다. 이에 따라 스핀 홀 전도도 측정으로 위상부도체를 가릴 수 있는 것이다.

박노정 교수는 "양자역학이 지배하는 미시세계에서 활약할 전자장치의 소재로 위상부도체도 활발히 연구되는 추세"라며 "스핀 홀 전도도를 측정하는 방식으로 위상부도체의 특성을 파악할 수 있다는 이번 결론은 향후 전혀 새로운 전자장치 개발의 초석이 될 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미국국립과학원회보(PNAS)에 지난 14일자로 출판됐다.

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