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[표지로 읽는 과학] 응집물질 위상절연체로 고효율 레이저를 만든다

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2018년 03월 18일 15:00 프린트하기

-Science
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기묘한 연속물질이 정사각형을 이루는 가운데, 오른쪽 상단에는 빨간 빔이 뿜어져 나온다. 이 그림이 뭘 의미하는지는 쉽게 가늠하기 어렵다.

 

2016년 노벨 물리학상을 받았던 주제인 응집물질을 기억하는가? 당시 데이비드 사울리스 미국 워싱턴대 교수와 덩컨 홀데인 프린스턴대 교수, J 마이클 코스털리츠 브라운대 교수는 평평한 2차원 물질세계에서 일어나는 양자역학적 상태를 설명해 노벨상을 받았다.

 

평평한 2차원 세상에서는 우리가 살고 있는 3차원 세상과는 전혀 다른 일이 일어난다. 우리가 원자 하나하나의  행동을  양자물리학으로 설명할 수 있다고 믿었던 것과 달리 수많은 원자가 모인 극도로 얇은 평평한 이차원 물질이 보여주는 집단현상은 규명된 바가 없었다. 당시 세 교수는 위상수학의 개념을 도입해 이런 2차원세상에서 벌어지는 물질의 양자역학적 상태를 설명했고, 이른바 응집물질물리학이란 이름으로 현재 활발히 연구되고 있다.

 

바로 이 응집물질의 일종인 위상절연체로 구성한 레이저의 개념도가 3월 셋째주 학술지 ‘사이언스’ 표지를 장식했다. 여기에는 이스라엘기술연구소 고체상태연구과 칼 하라리 연구원팀의 논문, ‘위상절연 레이저에 관한 이론(Topological insulator laser:Theory)’이 포함됐다.

 

전류가 흐르도록 만들려면 전자에 자기장을 걸어야한다. 그리고 전압은 전류 방향 또는 전류의 수직 방향으로 모두 잴 수 있다. 전류가 흐르는 방향에 수직으로 잰 전압과 전류를 간단한 수식에 넣어서 계산한 값은 띄엄띄엄 특정 정수로 나타난다. 이 값을 ‘홀 전도도’라고 하며, 이 현상을 ‘양자홀 효과’라고 한다.

 

본래 양자 홀 효과는 아주 섬세하게 가공한 반도체 계면(서로 다른 물질이 만나는 경계)에 수직 방향으로 매우 강한 자기장을 걸고 온도를 절대 영도에 가깝게 유지하는 극한 상황에서만 관측할 수 있었다. 그러나 1988년 발표한 논문에서 홀데인은 “만약 2차원 고체가 특정한 구조를 갖고 있다면 외부 자기장이 없어도 정수 양자 홀 효과가 나올 것”이라고 예측했다. 2차원과 강한자기장, 극저온이라는 세 가지 까다로운 조건중 하나를 제거해도 여전히 위상절연체의 상태가 유지된다는 설명이다.

 

이번 논문에서 연구팀은 홀데인 설명대로 자기장 조건을 제거한 상태에서 어떤 모서리에도 영향을 받지 않고 한쪽 방향으로 레이저를 이동시킬 수 있는 독특한 위상 효과 개념을 제안했다. 하라리 연구원은 “우리는 위상절연 레이저의 개념을 실험으로 증명했다”며 “이동 방향의 오류나 손실이 거의 없는 고효율의 레이저를 구현할 수 있다는 것”이라고 말했다.

 

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