| 푸단대학, 디랙 반금속 Cd3As2의 표면 초전도 구현 | ||
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 최근 푸단대학 물리학부 슈파셴(修發賢) 연구팀은 토폴로지컬 반금속 Cd3As2 및 초전도 헤테로접합에서 Cd3As2 표면 초전도상태를 관측했다. 해당 성과는 "근접효과로 구현한 디랙 반금속 Cd3As2 표면 초전도"란 제목으로 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 일종의 신기한 준입자인 마요라나 페르미온은 비아벨(non-Abelian) 통계를 만족함과 아울러 결함허용이 가능한 토폴로지컬 양자컴퓨팅을 구현하는 물질적 기초이다. 최근 토폴로지컬 초전도재료는 그 경계상태(bounary state)에 마요라나 페르미온이 존재하는 원인으로 응집물질물리학 분야 주요 연구방향이 되었다. 토폴로지컬 재료의 초전도상태로의 전환은 토폴로지컬 초전도를 탐구하는 효과적인 방법이다. 3차원 토폴로지컬 반금속은 신형 토폴로지컬 양자재료로서 그 에너지밴드에 디랙원뿔(Dirac cones) 구조가 존재함과 아울러 각종 예사롭지 않은 표면 경계 토폴로지 상태를 보유하기에 마요라나 페르미온을 구현하는 이상적인 시스템이다. 토폴로지컬 반금속에서 토폴로지 초전도를 구현하려면 우선 해당 경계상태를 초전도상태로 전환시켜야 한다. 이와 관련해 이론적으로 많은 예언이 존재하지만 실험적으로 이러한 경계상태 초전도 형식을 실증한바 없다. 토폴로지컬 반금속의 초전도를 구현하기 위해 연구팀은 앞서 수행한 3차원 디랙 반금속 Cd3As2 나노시트의 페르미 아크(Fermi arc) 표면상태 수송 연구를 토대로 홍콩과기대 Kam Tuen Law 연구팀과 공동으로 Cd3As2 나노시트에 초전도 Nb를 증착시켜 Nb/Cd3As2 및 Nb/Cd3As2/Nb 헤테로접합을 형성했다. 그 다음 근접효과(proximity effect)를 통해 초전도를 Cd3As2에 전달하였다. 연구팀은 미분 전기전도도 스펙트럼 수송 측정을 통해 Nb/Cd3As2 계면에서 넓은 전기전도도 플랫폼 및 제로 바이어스 브로드피크(broad peak)를 발견했는데 양자는 각각 Cd3As2의 표면 페르미 아크와 보디 스테이트(body state)의 초전도에 대응했고 페르미 아크와 초전도의 결합은 보디 스테이트에 비해 훨씬 강했다. 또한 Cd3As2 두께를 변화시키는 방법으로 Cd3As2 표면 페르미 아크와 보디 스테이트의 비중을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 대응하는 페르미 아크와 보디 스테이트의 초전도 에너지갭의 변화를 관측할 수 있다. 이외, Kam Tuen Law 연구팀은 Nb/Cd3As2에 대한 이론적 시뮬레이션을 통해 앞에서 관측한 페르미 아크 및 보디 스테이트의 초전도를 실증했다. Nb/Cd3As2의 양호한 초전도 근접효과에 기반해 연구팀은 Cd3As2 기반 조셉슨 접합(Josephson junction)의 물리적 성질을 연구했다. 연구팀은 초전도 양자간섭(Superconducting Quantum Interference) 측정을 통해 초전도 전류는 거의 완전히 Cd3As2의 상하 표면을 거쳐 통과함을 관측했다. 실험에서 초전도 임계전류와 자기장의 관계는 SQUID 형태였다. 이는 기존의 유사한 토폴로지컬 절연체 표면상태 초전도 전류의 특징과 매우 다르다. 토폴로지컬 절연체 표면상태는 등방성 즉, 각 방향에서의 상호 간섭으로 인해 단일 방향에서의 양호한 경계전류 형성이 매우 어렵다. 또한 페르미 준위를 보디 스테이트 에너지갭에 맞게 조절해 보디 스테이트의 영향을 회피해야 한다. 하지만 3차원 디랙 반금속 Cd3As2에서 초전도 결합력에 대한 보디 스테이트와 표면 페르미 아크의 차이가 매우 크기에 보디 스테이트의 간섭을 회피할 수 있다. 그리고 표면상태는 y 방향의 양쪽에만 존재할 수밖에 없기에 완벽한 표면 초전도 전류를 형성할 수 있다. 이러한 특성은 Cd3As2 페르미 아크 초전도를 입증하는 유력한 증거이다. 해당 연구는 최초로 3차원 토폴로지컬 반금속에서의 페르미 아크 초전도를 구현했는데 이는 2차원 양자 스핀홀 절연체에서 1차원 초전도 경계상태를 고차원적으로 유추하는 것과 같다. 해당 성과는 경계상태 초전도를 이해하는데 중요한 의미가 있다. 이외, Cd3As2 초전도 페르미 아크는 a.c. 조셉슨 효과에서 마요라나 페르미온을 구현하는 일종의 새로운 표현형태 즉, 마요라나 플랫 밴드(flat band)임을 이론적으로 예언했다. 이 또한 토폴로지 초전도를 탐구하는데 새 아이디어 및 실험수단을 제공함과 아울러 토폴로지컬 양자컴퓨터를 최종적으로 구현하는데 전단계 과학연구 기반을 마련했다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/5/426409.shtm |
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