[김준성 교수]위상 양자 효과를 극대화하는 새로운 물질 발견

Caption: 새로운 위상물질 SrAs3의 결정구조(왼쪽 위)와 도핑 농도가 정밀하게 조절된 SrAs3 단결정(왼쪽 아래). 위상마디선 준금속에서 예상되는 도넛 모양(원환면 형태)의 등에너지면 전자구조(오른쪽 아래)와 양자역학적인 텍스쳐(오른쪽 위)가 이번 연구를 통해 확인되었다. 

위상 양자 효과를 극대화하는 새로운 물질 발견 

수학적 개념이었던 ‘위상학(Topology)’이 물질의 전자상태를 이해하는 데에도 유용하게 활용된다는 점이 제안된 이래 ‘위상물질’에 대한 연구는 최근 전세계적으로 가장 주목받는 연구 분야 중 하나이다. 이러한 위상학적 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강하고 에너지 손실도 적으면서도 정보 손실 없는 양자 정보 소자를 구현할 수 있어 최근 전 세계적으로 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 특히 위상물질 중 위상마디선 준금속은 위상학적인 특이점이 선(line) 형태로 길게 이어져있어 외부 전자기장에 대해 민감하게 반응하며 더 강한 양자 효과가 있을 것으로 예측된다. 그러나, 대부분의 후보물질은 위상학적으로 특이한 전자상태와 그렇지 못한 보통의 전자상태가 공존하고 있어, 위상 전자상태에서 나타나는 고유한 양자전도 효과를 관찰하기 매우 어려웠다.

포항공과대학교 물리학과 김준성 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 위상물질인 스트론튬-비소 화합물 (SrAs3)을 합성하고 위상 전자상태에서 나타나는 고유한 양자전도 효과를 최초로 관측하였다. 연구진은 보통의 전자상태가 공존하지 않도록 스트론튬-비소 화합물(SrAs3)의 도핑농도를 정밀하게 조절하며 고품질의 단결정을 합성하였고, 위상학적으로 특이한 전자상태만이 유일하게 전도특성에 기여한다는 점을 실험적으로 확인하였다. 나아가, 연구진은 해당 위상물질에서 전기 저항이 감소되는 2차원 약한 반국소화 현상이 나타나는 것도 확인하였다. 3차원 물질에서도 2차원 양자전도 특성이 발현되는 현상은 위상학적인 특이점이 선 형태로 이어져 있는 위상물질의 독특한 특성으로 이해될 수 있다. 

이론적으로만 예상되었던 위상마디선 전자상태의 고유한 특성이 관측된 것은 이번이 처음이다. 그동안 적합한 물질이 없어 위상마디선 전자상태의 독특한 성질을 연구하는 것이 매우 어려웠던 환경에서, 이번 연구는 차세대 정보 소자에 활용 가능한 중요한 소재를 확보한 데 그 의의가 있다. 이번 연구는 다양한 위상물질 연구의 기반을 마련할 뿐 아니라 향후 차세대 정보 소자 활용에 첫 단추가 될 것으로 기대된다. 

이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.694)’지에 11월 25일(한국시간) 온라인 게재됐다.