| 중국과학자 “양자 변형 홀 효과” 최적화 실현에 성공 | ||
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 중국과학원 물리연구소와 청화대학 물리학부는 공동 연구팀을 구성하여 최근 “양자 변형 홀효과(Quantum anomalous Hall effect)” 실현에 성공하여 국제 과학계의 인기화제가 되고 있다. 국제적으로 해당 분야의 중요한 과학성과에 속하는 이번 연구는 이론연구에서 실험관측에 이르기까지 전반 과정에 걸쳐 모두 중국과학자가 독립적으로 수행한 것이다. “양자 홀효과”는 전체 응집체 물리분야에서도 가장 중요하면서도 기본적인 양자효과중 하나에 속한다. 이러한 효과는 대표적인 거시적 양자효과에 속하면서도 미시적 전자세계의 양자행위의 거시적 척도에서의 완벽한 구현에 속한다. 1980년 독일과학자 클라우스 본 클린칭(Klaus von Klitzing)은 “정수 양자 홀효과(integer quantum Hall effect)”를 발견하여 1985년도 노벨물리학상을 수상하였다. 1982년 미국의 화교 물리학자 추이치(Daniel CheeTsui), 미국 물리학자 슈퇴르머(Horst L. Stormer) 등이 “분수 양자 홀효과(fractional quantum Hall effect)”를 발견한데 이어 미국 물리학자 로버트 로플린(Rober B. Laughlin)이 이론 해석을 도출함에 따라 세 명의 물리학자는 1998년도 노벨물리학상을 공동 수상하였다. “양자 홀효과” 가족(family)가운데 아직까지 발견되지 않은 효과는 “양자 변형 홀효과”로 외부의 자기장을 별도 추가할 필요가 없이 실현할 수 있는 양자 홀효과를 가리킨다. 그동안 “양자 홀효과”연구에서 가장 힘든 도전적인 연구에 속하는 “양자 변형 홀효과”는 기존의 양자홀효과와는 완전히 다른 물질본질을 지니는 전혀 새로운 양자효과에 속한다. 뿐만 아니라 정밀한 재료 설계, 제조 및 조정제어가 필요하기에 양자 변형 홀 효과의 실현이 더욱 힘든 실정이다. 1988년 미국 물리학자 할데인(F. Duncan M. Haldane)은 외부 자기장을 별도 추가하지 않는 상황에서 양자 홀효과가 존재할 수 있는 가능성을 언급한 적 있으나, 그동안 이러한 특수 양자효과를 실현 가능한 재료체계와 구체적 물리 경로를 찾아내지 못하였다. 2010년 중국과학원 물리연구소의 팡충(方忠), 다이시(戴希) 연구원이 이끌고 있는 연구팀과 짱서우성(张首晟) 교수가 이끄는 연구팀은 협력하여 이론과 재료설계 부분에서 중요한 성과를 올렸다. 연구팀은 Cr 혹은 Fe 자성 이온을 도핑한 Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3족 토폴로지 절연체에 특수한 V.Vleck 강자성 교환메커니즘이 존재하므로, 안정적인 강자성 절연체를 형성할 수 있으며, ‘양자 변형 홀효과’를 실현하는 최적의 체계라는 논점을 주장하였다(Science，329, 61(2010)). 계산 결과, 이러한 자성 토폴로지 절연체 다층막은 일정 두께와 자기 교환강도에서 “양자 변형 홀효과”상태와 관련이 있음을 입증되었다. 해당 이론과 재료설계 관련 연구성과는 국제 학술계의 관심을 불러일으켰고, 많은 세계 정상급 실험실에서도 관련 연구에 적극 참여하여 ‘양자 변형 홀효과’를 실현하기 위한 연구를 수행했다. 자기 도핑한 토폴로지 절연체 재료를 이용한 “양자 변형 홀효과”를 실현하기 위해서는 재료 성장 및 수송 측정에서 모두 엄격한 요구에 부합되어야 한다. 구체적으로 재료는 반드시 강자성 유질서 상태를 유지해야 하며, 강자성 교환작용의 크기는 반드시 에너지밴드의 반전을 일으킬 만큼 충분히 커야 하며, 토폴로지의 일반 밴드구조를 갖출 수 있어야 한다. 동시에 생체내의 캐리어농도는 반드시 충분히 낮은 수준이어야 한다. 최근 중국과학원 물리연구소의 하커(何珂), 뤼리(吕力), 마시우춘(马旭村), 왕리리(王立莉), 팡충(方忠), 따이시(戴希) 연구원으로 구성된 연구팀과 청화대학 물리학부의 쉐치쿤(薛其坤), 짱서우성(张首晟), 왕야위(王亚愚), 천시(陈曦), 쟈진펑(贾金锋) 등으로 구성된 연구팀은 협력하여 양자 변형 홀효과 연구에서 중요한 성과를 올렸다. 연구팀은 박막 성장, 자기 도핑, 게이트 전압 제어, 저온 수송 측정 등 여러 가지 애로사항을 해결하고 토폴로지 절연체의 전자 구조, 장거리 강자성 질서 및 에너지 밴드 토폴로지 구조의 정밀제어를 실현하였으며 분자빔 에피택셜 기법을 이용하여 고품질 Cr 도핑(Bi, Sb) 2Te3 토폴로지 절연체 자성 박막을 성장시켰다. 또한 극저온 수송측정장치로 ‘양자 변형 홀효과’ 관측에 성공하였다. 이 연구논문은 2013년 3월 14일 Science학술지 온라인으로 발표되었는데, 청화대학과 중국과학원 물리연구소가 공동 제1저자로 제출하였다. 이번 연구성과는 중국 과학자가 장기적으로 축적한 노하우와 협동 혁신을 통해 단체의 힘을 합쳐 난제를 해결한 성공 사례에 속한다. 그동안 연구팀은 토폴로지 절연체 연구에서 다양한 성과를 올렸고, 연구 성과는 ‘2010년도 중국 10대 과학연구 성과’와 ‘중국 대학교 10대 과학연구성과’에 선정되었다. 연구팀은 또 2011년도 “실사구시 과학자상”, “실사구시 과기성과 단체상”과 “중국과학원 걸출과기성과상” 및 2012년도 “세계 화교 물리학회 아시아성과상”, “천쟈겅(陈嘉庚)과학상” 등 명예를 얻었다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201331513142223128244.shtm |
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