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물질 바깥만 전류 흐르는 '위상부도체' 실험으로 구분

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물질 바깥만 전류 흐르는 '위상부도체' 실험으로 구분

2019.02.25 12:00
양자화된 스핀 홀 전도도에 대한 모식도를 나타냈다. 전기를 흘려주면 스핀 방향이 같은 전자끼리 나란히 정렬하게 된다. 이때 스핀들이 이동하는 스핀 홀 전도도가 측정된다. UNIST 제공
양자화된 스핀 홀 전도도 모식도를 나타냈다. 전기를 흘려주면 스핀 방향이 같은 전자끼리 나란히 정렬하게 된다. 이때 스핀들이 이동하는 스핀 홀 전도도가 측정된다. UNIST 제공

국내 연구팀이 부도체지만 전기가 흐르는 위상부도체를 실험으로 구분하는 방법을 최초로 규명했다. 수학적인 계산을 통해서만 구분할 수 있었던 위상부도체를 실험으로도 구분하는 데 성공한 것으로 새로운 전자장치를 개발하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다. 


박노성 UNIST 자연과학부 교수 연구팀은 물질에 한 방향으로 전압을 주면 나타나는 ‘스핀 홀 전도도(Spin Hall conductivity)’를 이용해 위상부도체를 구분하는 방법을 개발했다고 25일 밝혔다. 


물질은 전도도를 기준으로 도체와 부도체로 나뉘고 자기장 여부를 기준으로는 자성체와 비자성체로 구분된다. 하지만 이런 기준만으로는 위상부도체와 같이 부도체지만 표면엔 전기가 흐르는 별난 물질을 모두 설명할 수 없었다. 이에 ‘위상(phase, 位相)’이라는 수학적 개념을 도입해 별난 물질을 설명하는 노력이 지속됐다. 


위상은 반복되는 파동의 주기에서 시작점의 각도나 한 순간의 위치를 뜻한다. 물질의 경우는 원자 속 전자의 파동이 위상 차이를 가져온다. 전자의 파동 특성은 수학적으로 계산이 가능해 이를 통해 어떤 물질이 위상부도체인지 구분했다. 하지만 실험을 통한 측정값으로 위상부도체를 구분하는 방법은 존재하지 않았다. 


연구팀은 수학적으로 직접 구분하는 대신 위상부도체를 구분하는 측정값으로 스핀 홀 전도도를 이용하는 방법을 규명했다. 홀 전도도는 물질에 전압과 자기장을 동시에 걸어서 나타나는 전자의 이동 특성이고 전자의 자전을 뜻하는 스핀은 물질마다 고유한 형태를 가진다. 스핀 홀 전도도는 물질에 한 방향으로 전압이 주어졌을 때 그 방향에 수직한 방향으로 스핀 전도도가 생기는 현상이다.


위상부도체는 물질 내부에 있는 스핀들이 평형을 이루고 전기를 흘려주면 같은 방향의 스핀끼리 정렬되는 현상이 발생한다. 이런 현상을 관측해 스핀 홀 전도도를 측정할 수 있었다. 연구팀은 “측정한 전도도가 0으로 나타나면 일반적인 부도체이고 1, 2, 3과 같이 규칙적인 덩어리 값(양자)이 나타나면 위상부도체가 된다”고 설명했다.


박 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 전자장치의 개발의 초석이 될 것”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 14일자에 발표됐다.

 

박노성 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수. UNIST 제공
박노성 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수. UNIST 제공

 

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