| 중국과기대, 고온 양자 이상 홀효과 구현을 위한 잡질 에너지밴드 도입 | ||
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 최근, 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학국가중점실험실 국제기능재료양자디자인센터의 방문학자 치스페이(齊世飛) 교수는 센터 연구자 및 물리대학 차오전화(喬振華) 교수 그리고 중국 내외의 동업자와 공동으로 전하 보상형 n-p 공동 도핑 방안을 기반으로 강자성 위상 절연체 중에서 고온 양자 이상 홀효과를 구현할 수 있는 새로운 아이디어를 제안하였다. 해당 연구성과는 2016년 7월 27일 “High-Temperature Quantum Anomalous Hall Effect in n-p Codoped Topological Insulators”라는 제목으로 세계 권위적 물리학 잡지 Phys. Rev. Lett.에 발표되었다. 양자 이상 홀효과는 제로 외부 자기장 조건에서 생성된 양자 홀효과이다. 최근 3년간 중국 내외의 많은 실험팀은 자성 도핑 위상 절연체(예를 들어 Cr/V 도핑 Sb2Te3)중에서 해당 효과를 관측하였지만 모두 아주 낮은 실험 온도(~30mK)조건에서 구현되었다. 이는 해당 효과가 새로운 전자 소자에서 잠재적 응용을 크게 제한하였다. 그 주요 원인은 단일 자성 원소의 도핑으로 인한 위상 절연체 밴드 갭(band gap)의 대폭 감소 및 실험 과정에서 피면할 수 없는 불순물(잡질)의 불균일성으로 인한 것이다. 연구팀은 기존의 관련 연구[예를 들면 전하 비보상형 n-p 도핑 방안을 이용하여 잡질 에너지 밴드를 도입하면 TiO2의 넓은 에너지 갭을 효과적으로 축소시킬 수 있다. Phys. Rev. Lett. 103, 226401(2009)]에서 계시를 받고 최초로 전하 보상형 n-p 공동 도핑 방안을 강자성 위상 절연체 중에 도입하여 고온 양자 이상 홀효과를 구현하였다(그림 1). 연구 결과, 단일 원소(예를 들면 강자성 p형 바나듐 원자)가 도핑된 Sb2Te3에 공동 도핑 원소(예를 들면 n형 요오드 원자)를 도입한 후 위상 절연체의 고유 좁은 에너지 갭은 최대한으로 보존되었다. 아울러 공동 도핑 요오드 원소의 도입은 더욱 쉬운 도핑 구현, 시스템의 자가 스핀 궤도 결합 효과 심층적 증강, 페르미 준위 위치 정밀 조절 제어 및 저농도 자기 도핑으로 인한 강자성 구현 등 일련의 부가적인 우위를 제공하였다. 바나듐-요오드 공동 도핑 Sb2Te3의 강자성 성질 및 위상 성질을 심층적으로 연구한 결과, 해당 공동 도핑 시스템으로 약 50K가 넘어서도 양자 이상 홀효과를 구현할 수 있었는데 이는 기존의 관찰 온도에 비하여 3개 수량급이 더 높다. 본 연구에서 제안한 n-p 공동 도핑 방안은 일종의 보편적으로 적용되는 개념성 성과로서 고온 양자 이상 홀효과를 실험적으로 구현하는데 중요한 참조적 방안을 제공하였다. 해당 연구의 계시로 해당 분야에서 실험팀은 공동 도핑 기반의 개념으로 비록 일차적이지만 뚜렷한 성과를 거두었다. 정보출처 : http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201608/t20160801_251763.html |
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