기초과학

푸단대, 바일 궤도 기반 3차원 양자홀효과 발견

발행일 : 2018 / 12 / 21

최근, 푸단(復旦)대학 물리학부 슈파셴(修發賢) 프로젝트팀은 토포로지컬반금속(Topological semimetals) 비소화카드뮴 나노시트(Nanosheets)에서 바일 궤도(Weyl orbits)로 형성된 새로운 3차원 양자홀효과의 직접적 근거를 관측하였다. 이로써 2차원에서 3차원으로의 관건적 한걸음을 내디디었다. 해당 연구성과는 “비소화카드뮴에서 바일 궤도 기반 양자홀효과(Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2)”라는 제목으로 “Nature(DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3)”에 온라인으로 게재되었다.

20세기부터 양자홀효과는 응집물질물리학 분야의 가장 중요한 과학 발견이며 양자홀효과 관련 성과는 4개 노벨상 수장자를 탄생시켰다. 130년 전 미국 물리학자 A.H.Hall은 전류가 흐르는 도체에 전류의 방향과 수직되는 자기장을 가하면 전자의 운동 궤적은 편향됨과 아울러 도체의 수직방향에 전압이 생성됨을 발견하였는데 이러한 현상을 “홀효과”라 한다. 만약 전자를 2차원 평면에 구속시키면 강한 자기장 작용으로 전자는 도체 가장자리에서 규칙적인 1차원 운동을 한다. 기존 양자홀효과는 오직 2차원/준2차원 시스템에서 발생한다.

2016년 10월 슈파셴 프로젝트팀은 최초로 3차원 비소화카드뮴 나노시트를 이용하여 양자홀효과를 관측하였다. 그 후 샘플 제작 과정에서 슈파셴 프로젝트팀이 발표한 경험에 의하여 일본 및 미국 과학자도 동일한 시스템에서 양자홀효과를 관측하였다. 그러나 그 당시 실험 결과를 기반으로 실제 전자 운동 메커니즘을 확정할 수 없다. 프로젝트팀은 2종 가설을 제안하였다. 1) 상부 표면에서 하부 표면으로의 이동 방식으로 전자는 수직 운동을 한다. 2) 전자는 상하부 2개 표면 즉 2개 2차원 시스템에서 각각 독립적 양자홀효과를 형성한다.

프로젝트팀은 3차원 양자홀효과 실험에 착수하였다. 해당 실험은 머리카락 굵기의 1,000분의 1정도밖에 안 되는 실험재료, 번개처럼 빠른 전자 운동 속도 조건에서 수행해야 한다. 프로젝트팀은 쐐기모양 샘플을 이용하여 제어 가능한 두께 변화를 구현하였다. 다음 양자홀 플랫폼에 나타나는 자기장을 측정한 후 공식을 이용하여 양자홀 차원을 추산하였다. 실험 결과, 전자의 운동 궤도 에너지는 샘플 두께의 직접적인 영향을 받았다. 이는 샘플 두께의 변화에 따라 전자의 운동 시간도 변화됨을 의미한다. 그러므로 전자는 샘플 두께와 관련된 수직방향 운동을 하며 따라서 전자의 터널링(Tunneling) 현상을 입증하였다.

전자는 상부 표면에서 4분의 1 라운드 회전한 후 하부 표면으로 이동하여 4분의 1 라운드 회전하며 또 다시 상부 표면으로 이동하여 2분의 1의 폐루프를 형성하는데 해당 터널링 과정에서 소산(Dissipative) 현상이 발생하지 않는다. 그러므로 전자가 전체 회선운동 과정에서 양자화임을 보증할 수 있다. 해당 전체 궤도는 3차원 “바일 궤도”이며 비소화카드뮴 나노 구조에서 양자홀효과의 근원이다. 이로써 3차원 양자홀효과의 비밀을 규명하였다.

본 연구성과를 통하여 비소화카드뮴의 물리적 특성을 심층적으로 연구할 수 있으며 또한 해당 연구는 향후 과학연구 탐색에 실험 기반을 마련하였다. 응용 분야에서 비소화카드뮴은 아주 높은 천이율을 보유하였기에 전자의 전송 및 응답이 아주 빠르므로 적외선 탐측, 전자스핀 분야의 프로토타입 소자에 이용될 수 있다.