위상·일반 전자 상태의 양자 간섭 입증
양자소자 신호 해석·설계에 새 기준 제시
GIST·KRISS 등 공동연구진의 ‘위상절연체 나노선 양자간섭’ 연구가 'Nano Letters' 표지논문으로 선정됐다. (이미지=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지
[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)과 한국표준과학연구원(KRISS) 등 국내 연구진이 위상 절연체 나노선에서 나타나는 '맥놀이' 신호의 발생 원인을 세계에서 처음으로 규명했다.
19일 GIST에 따르면 연구진은 위상 절연체 표면의 위상 전자 상태(TSS)와 표면 아래에 형성된 2차원 전자기체(2DEG)의 서로 다른 양자 진동이 겹치면서 맥놀이가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
그동안 위상 양자소자 연구에서 해석을 어렵게 했던 신호의 실체를 규명했다는 점에서 의미가 크다.
위상 절연체는 내부에서는 전기가 잘 흐르지 않으나 표면에는 특수한 전자 상태가 존재하는 양자물질이다.
나노선에서는 표면 전자가 나노선 둘레를 따라 이동하면서 자기장에 따라 전도도가 주기적으로 변하는 아하로노프-봄(AB) 진동이 나타난다.
연구진은 안티몬(Sb)이 첨가된 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선의 열전 실험에서 주기가 미세하게 다른 진동이 겹치며 신호 세기가 변하는 맥놀이 현상을 발견했다.
GIST·KRISS 등 '위상절연체 나노선 양자간섭' 연구에 참여한 공동연구진이다. (사진=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지
이후 기존 전기전도 데이터를 재분석하고 이론 계산과 다른 나노선 소자에서도 같은 현상을 확인했다.
그 결과 위상 표면 상태와 일반 전자 상태의 전자 이동 경로가 서로 다른 면적을 형성해 각각 다른 주기의 진동을 만들고 이들이 중첩되면서 맥놀이가 발생한다는 결론을 도출했다.
특히 국립공주대 송태근 교수팀은 머신러닝을 활용해 기존 분석에서 겹쳐 있던 진동 성분을 분리했다.
확인 결과 게이트 전압에 따라 맥놀이 패턴은 변하더라도 각각의 진동수는 고유하게 유지되는 것으로 나타났다.
이번 연구는 위상 절연체의 대표적인 양자 신호로 여겨져 온 AB 양자 간섭에 일반 전자 상태도 함께 참여할 수 있다는 사실을 입증했다.
이에 따라 향후 위상 절연체의 양자 수송 신호를 정확하게 해석하고 원하는 양자 상태를 구현하기 위한 소자 설계와 제어에도 활용될 것으로 기대된다.
배명호 KRISS 책임연구원은 "위상 상태뿐 아니라 일반 전자 상태도 양자 간섭에 참여할 수 있음을 보여준 성과"라며 "원하는 위상 상태만 활용하기 위해서는 도핑과 게이트를 통한 정밀한 제어가 중요하다"고 말했다.
최상준 GIST 교수는 "수년간 풀리지 않았던 맥놀이의 원인을 서로 다른 전자 상태의 간섭이라는 하나의 물리적 그림으로 설명했다"며 "이번 연구가 향후 위상 양자소자 설계와 제어에 활용되길 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 한국표준과학연구원 기본 사업과 한국연구재단(NRF), 교육부 G-LAMP, 국가과학기술연구회 등의 지원을 받아 수행했다.
연구 결과는 지난달 29일 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 제26권 29호에 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.
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