기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단을 비롯한 국내 공동 연구진은 새로운 위상물질을 합성하고 그동안 이론으로만 예측했던 위상 전자상태에서만 나타나는 고유한 양자 효과를 최초로 관측하였다. 이는 위상 양자 효과¹⁾ 연구의 발판을 마련할 뿐 아니라, 이를 이용한 차세대 정보 소자 제작 연구에도 기여할 것으로 기대된다.

별난 물질이라 불리는 위상물질은 아무리 변형시켜도 찢지 않으면 정상적인 띠로 만들 수 없는 뫼비우스 띠처럼 물질의 화학구조가 바뀌지 않는 한 계속 보존된다. 이러한 위상학적 안정성을 이용하면 외부 잡음에 강하고 에너지 손실도 적은 정보 소자를 구현할 수 있어 최근 전 세계적으로 연구가 활발하다.

출처: 네이처

외부변화에도 안정적인 위상물질의 독특한 특성은 주로 ‘전도 띠²⁾’와 ‘원자가 띠’가 서로 교차하는 지점에서 나타난다. 일반적인 물질에서는 전도 띠와 원자가 띠 사이가 떨어져 있다. 반면 위상물질은 두 에너지 띠 사이에 간격 없이 붙어 마디를 이루고 있는데, 바로 이 지점에서 위상학적인 특이성이 나타난다. 대부분의 위상물질은 에너지띠 교차 마디가 작은 점으로 붙어있는 반면 위상 마디선 준금속만 특이하게 선(line) 형태로 겹쳐있다.

▲ 고체 물질의 에너지띠 구조에서 전도띠는 원자가띠(전자가 채워져 있다) 보다 위에 있는 에너지띠이다. 전도띠에는 전자가 채워져 있지 않다. 부도체(절연체)의 경우 원자가띠에는 전자가 꽉 차있어 전자가 움직일 수 없는 상태여서 전도띠에는 전자가 하나도 없다. 반면 도체(금속)의 경우 원자가띠에 전자가 가득 차 있고 전도띠에도 전자가 일부 있다. 출처: 네이버 지식백과

그동안 위상마디선 준금속은 위상학적인 특이점이 선으로 길게 이어져 있어 외부 전자기장에 대해 민감하게 반응하며 더 강한 양자 효과가 있을 것으로 예측되어왔다. 하지만, 기존의 후보물질은‘위상학적으로 특이한 전자상태(두 에너지 띠가 겹쳐있는 상태)’와 그렇지 못한‘보통의 전자상태(두 에너지 띠가 따로 있는 상태)’가 공존하고 있어 위상 전자상태에서 나타나는 고유한 양자전도 효과를 관찰하기 매우 어려웠다.

연구진은 스트론튬-비소 화합물(SrAs₃)의 도핑농도를 정밀하게 조절해 방해꾼인‘보통의 전자상태’가 존재하지 않도록 고품질의 단결정을 합성하고, ‘위상학적으로 특이한 전자상태’만 유일하게 전기가 흐르게 하는 것을 실험적으로 확인했다. 이러한 전도 특성은 고효율 스핀(양자) 정보 소자³⁾ 등에 활용될 가능성이 높다. 스핀 정보 소자에 위상학적으로 특이한 전자상태만으로 전류가 흐르는 소재를 사용하면 보통의 전자상태로 인해 생기는 쓸모없는 전류량을 줄이고, 더 높은 효율로 스핀 정보를 조절할 수 있을 것으로 기대된다.

연구진은 이번에 합성한 물질에서 2차원에서 나타나는 현상⁴⁾이 보이는 것도 확인했다. 이번에 합성한 물질은 3차원 물질이지만 위상학적인 특이점이 선으로 이루어져 있기 때문에, 2차원 물질에서 나타나는 전기 저항이 감소되는 성질이 발현되었다. 이론으로만 예상되었던 위상마디선 전자상태의 고유한 특성이 관측된 것은 이번이 처음이다.

이번 연구는 다양한 위상물질 연구의 기반을 마련할 뿐만 아니라 향후 차세대 정보 소자 활용에 첫 단추가 될 것으로 기대된다. 김준성 연구위원은 “그동안 적합한 물질이 없어 위상마디선 전자상태의 독특한 성질을 연구하는 것이 매우 어려웠다”며 “이번 연구는 차세대 정보 소자에 활용 가능한 중요한 소재를 확보한 데 의의가 있다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 25일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 기초과학연구원과 삼성종합기술원, 한국연구재단의 지원을 받아 진행되었다.

새로운 위상물질 스트론튬-비소 화합물(SrAs3) 전자구조
새로운 위상물질 스트론튬-비소 화합물(SrAs3)의 결정구조(왼쪽 위)와 단결정(왼쪽 아래).
위상마디선 준금속에서는 도넛 모양(오른쪽 그림)의 등에너지면 전자구조와 양자역학적인 위상정보(빨간색 파란색 화살표)를 가질 것으로 예상된다. (보통의 전자상태의 경우 다른 모양의 등에너지면이 같이 나타난다) 이번 연구는 실험을 통해 이론상 예측했던 위상마디선 준금속의 등에너지면의 형태를 확인했다.

1) 위상 양자 효과: 고체 내부의 전자의 움직임을 양자역학적인 파동함수로 이해해야만 설명이 되는 현상을 양자 효과라고 한다. 위상 양자 효과는 이러한 전자의 파동함수가 기존의 양자 전도 효과와 다르게 나타나는 현상이다.

2) 전도띠: 에너지띠 구조에서 원자가띠(전자가 채워져 있다) 보다 위에 있는 에너지띠이다. 전도띠에는 전자가 채워져 있지 않다. 부도체의 경우 원자가띠에는 전자가 꽉 차있어 전자가 움직일 수 없는 상태여서 전도띠에는 전자가 하나도 없다. 반면 도체의 경우 원자가띠에 전자가 가득 차 있고 전도띠에도 전자가 일부 있다.

3) 스핀 정보 소자: 반도체를 이용한 기존의 전자 정보소자의 경우 전기장을 이용해 전류를 끄거나 켜는 것을 통해 0과 1의 정보 처리와 연산하는데 반해, 스핀 정보소자는 전자의 스핀이 위 또는 아래로 정렬된 상태를 이용한다. 기존의 전자소자에 비해 더 빠르고 더 효율적인 정보처리가 가능할 것으로 기대된다.

4) 약한 반국소화 현상: ‘약한 국소화 현상’이란 물질에서 산란하는 전자가 여러 번의 산란 끝에 자기 자신과 상호 작용을 하게 되어 일정 영역에 갇히는 현상이다. 이러한 현상이 일어나면 전기 저항이 증가한다. 그러나 위상 마디선 준금속 내에서는 오히려 전기 저항이 감소하는 약한 반국소화 현상이 일어나게 된다. 위상 마디선 준금속 경우에는 산란 궤도가 2차원 평면 안에서 일어나기 때문에 2차원적 성질을 지니게 된다.