기초과학

노벨상 수준의 연구성과, 비정상 양자 홀효과 관측

발행일 : 2013 / 04 / 11

2013년 4월 10일 칭화대학과 중국과학원 물리연구소는 베이징에서 두 기관의 연구자로 구성된 실험팀이 비정상 양자 홀효과(quantum Hall effacts, QHE) 연구에서 획기적인 성과를 거두고, 자기 도핑된 토폴로지 절연체 박막에서 최초로 비정상 양자 홀효과를 관측해냈다고 밝혔다. 관련 논문은 사이언스지의 최신호에 발표되었다. 양전닝(杨振宁) 노벨상 수상자도 이 성과에 높은 평가를 보냈다.

홀효과와 비정상 홀효과는 130년 전에 미국의 물리학자 홀이 발견한 것이다. 1980년과 1982년에 독일과 미국 과학자는 정수 양자 홀효과(integer quantum Hall effect)와 분수 양자 홀효과(fractional quantum Hall effect)를 발견하고, 모두 노벨물리학상을 수상했다. 이번 실험의 선도자 칭화대학 쉐치쿤(薛其坤) 원사는 “물리학자들이 홀효과가족에도 비정상 양자 홀효과가 존재해야 한다고 인정하나 이를 실험으로 관측하는 방법은 최근 연간 응집물질물리학자들의 탐사난제가 되었다.”고 지적했다.

2006년 미국 스탠버드대학/칭화대학 장서우청(张首晟) 교수가 이끄는 이론팀은 2차원 토폴로지 절연체 중의 양자 스핀 홀효과를 예견하고, 2008년 토폴로지 절연체에 자석을 삽입해 비정상 양자 홀효과를 실현하는 가능성을 제시했다. 2010년 중국과학원 물리연구소 팡중(方忠), 다이시(戴希) 연구원과 장서우청 교수는 Cr 또는 Fe가 도핑된 Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3족의 3차원 토폴로지 절연체 박막이 비정상 양자 홀효과를 실현하는 최고 체계라고 예언했다.

쉐치쿤 원사는 실험을 통해 비정상 홀효과의 양자화를 실현하려면 토폴로지 절연체재료가 세 가지 혹독한 환경 조건이 뒷받침되어야 한다고 했다.

1) 재료의 밴드 구조(band structure)가 토폴로지 특성을 지녀야 1차원의 전도성 가장자리 상태(marginality)를 확보할 수 있다. 2) 재료가 강자성 장거리 순서를 보유해야 비정상 홀효과가 존재할 수 있다. 3) 재료가 절연상태여야 전도성에 아무런 작용도 하지 않는다. 실제적으로 이 세 가지 조건 자체가 상당히 큰 난제이다. 실험 물리학자의 경우 이 세 가지 조건을 동시에 충족하는 것이 큰 도전이다. 독일, 일본, 미국 과학자는 재료에서 이 세 가지 조건을 충족할 수 없어 결국 성공하지 못했다.

칭화대학과 중국과학원 물리연구소의 연구자는 협동혁신으로 2009년부터 비정상 양자 홀효과 실험에 착수했다. 연구팀은 4년간 1,000개 이상의 시제품을 성장 및 측정하고, 자기 도핑된 고품질 토폴로지 절연체 박막의 성장, 표면의 전자상태 관측, 특히 전자구조와 자기 정렬상태 및 밴드 토폴로지 구조의 정밀 제어를 실현하고, 마침내 2012년 10월 비정상 양자 홀효과를 관측했으며, 또한 이에 앞서 중국과학원 물리연구소와 스탠버드대학 이론팀의 예언을 입증했다.

전문가는 비정상 양자 홀효과가 세계 과학기술계의 주목을 모으는 중요한 원인이 미래 전자부품에서 특수 역할을 발휘해 에너지소비가 적은 고속 전자부품의 제조에 사용될 수 있기 때문이라고 지적했다. 양자 홀효과를 컴퓨터 칩에 도입시킬 경우 컴퓨터의 발열과 에너지소모 문제를 극복할 수 있다. 그러자면 가야할 길이 아직도 멀다. 양전닝 노벨상 수상자는 비정상 양자 홀효과 발견의 논문이 중국의 실험실에서 나왔으며, 노벨상 수준의 물리학 논문이라고 하면서 중국 국가발전의 경사라고 밝혔다.