[첨단 헬로티]

한국·스웨덴·그리스 등 6개국 국제공동연구를 통해 미래 전자소자이자 양자컴퓨터 소재로 각광받는 위상절연체의 중요한 물리적 특성인 표면전자의 움직임을 밝혀냈다.

국제공동연구팀은 이를 위해 위상절연체의 원자 수준 구조를 초고분해능 수차보정 투과전자현미경, NMR(핵자기공명분광기) 등의 연구장비와 이론적 계산을 통해 분석했다.

▲KBSI 초고분해능 수차보정 투과전자현미경과 공동연구팀(연구장비운영부 장재혁 박사(왼쪽), 소재분석연구부 김해진 박사(오른쪽 앞), 연구장비개발부 이상철 박사(오른쪽 뒤)) <사진 : 한국기초과학지원연구원>

위상절연체(Topological Insulator)는 내부가 절연체지만 표면에는 전기가 흐르는 특징을 가진 물질로, 2차원 상태에서 에너지 손실 없이 전기전도가 가능하여 미래 전자소자이자 양자컴퓨터 소재로 각광받고 있다.

한국기초과학지원연구원(이하 KBSI) 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀을 포함한 6개국 국제공동연구팀(한국, 스웨덴, 그리스, UAE, 슬로베니아, 폴란드)은 위상절연체인 비스무스-텔루라이드(Bi₂Te₃) 나노구조에서 소재 내부와 표면 전자에 의한 특성 변화를 다양한 연구장비를 활용해 원자 수준에서 동시에 측정했다.

이를 통해 위상 절연체 내부로 표면의 디락 전자(Dirac electron)가 확산되는 과정을 규명하여, 위상절연체의 중요한 연구 분야인 표면양자 특성을 이해할 수 있는 연구방법을 도출해냈다.

▲초고분해능 수차보정 투과전자현미경 및 제 1원리를 이용하여 분석한 위상절연체(비스무스-텔루라이드(Bi₂Te₃)) 구조 밴드갭 및 전자 밀도 분포 상태 <사진 : 한국기초과학지원연구원>

▲NMR(핵자기공명분광기)로 분석한 위상절연체(비스무스-텔루라이드 구성원소 중 Te(텔루륨))의  분석 스펙트럼으로써 위상 절연체 표면 디락전자의 내부확산을 규명함 <사진 : 한국기초과학지원연구원>

이번 연구는 KBSI가 보유한 초고분해능 수차보정 투과전자현미경을 활용하여 위상절연체(Bi₂Te₃)의 원자구조를 직접 관찰함으로써 정확한 구조를 증명할 수 있었고, NMR분석을 통해 위상절연체의 원자핵과 전자간의 상호작용을 밝혀냈다.

지금까지 위상절연체 연구의 난제로 여겨져 왔던 표면 디락 전자의 위상절연체 내부 확산 등 전자와 소재의 상호작용을, 다양한 분석장비와 이론적 계산을 융합하여 밝혀냈다는데 큰 의미가 있다.

이번 연구 결과를 응용하면 향후 위상절연체 표면의 양자상태를 이해하는 데 새로운 접근법을 도출하고, 양자컴퓨터 실용화 등 미래 전자소자 연구에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

KBSI 김해진 박사는 “위상 절연체는 일반 물질과 달리 그 자체의 위상학적 성질에만 의존할 뿐 불순물이나 국소적인 외부요인에는 무관하여, 물질의 표면과 내부의 디락 전자 상태를 측정하는 것은 소재가 가진 양자적 특성을 이해하는 데 매우 중요하다”며 “이번 연구를 통해 기존에 단일 장비로는 해석할 수 없었던 연구영역을 다양한 연구장비와 방법론을 융합하여 밝혀냄으로써 학문적 지평을 확장했다는 큰 의미가 있다”고 밝혔다.