| 물리연구소, 철베이스 고온초전도체 연구진전 | ||
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 1982년에 동산화물 고온초전도체를 발견한데 이어 2008년에 철베이스 초전도체(임계온도 55K)를 발견함에 따라 고온초전도성의 새로운 연구방향이 열렸다. 그중에서도 고온초전도성의 생성메커니즘을 파악하는 것이 철베이스 초전도체의 핵심 연구문제이다. 재료의 초전도성을 이해하려면 우선 재료의 전자구조부터 연구해야 한다. 각분해 광전자분광기술은 재료의 전자구조를 측정하는 가장 직접적이고도 유력한 실험수단이다. 중국과학원 물리연구소/북경응집체물리 국가지정실험실(준비중) 초전도 국가지정중점실험실의 저우싱쟝(周興江)연구팀은 기타 과제팀과 협력하여 자체 개발한 고해상도 각분해 광전자분광시스템을 이용해 철베이스 전도체의 전자구조 및 초전도 에너지갭의 대칭성 연구에서 획기적인 진전을 이룩했다. 철베이스 초전도체를 발견한지 얼마 안된 시점에서 연구팀은 가장 먼저 철베이스 초전도체의 에너지밴드구조와 페르미면 연구에 착수했다. 각분해 광전자분광법으로 (Sr,K)Fe2As2 초전도체에 대한 측정을 통해 [Haiyun Liu et al., Phys. Rev. B 78, 184514(2008)] 철베이스 초전도체의 에너지밴드구조가 재규격화(Renormalization) 효과를 지닌다는 것을 최초로 보도하였다. 즉 실험으로 측정한 에너지밴드폭은 에너지밴드 계산결과와 비교해보면 2~3배정도 좁았다. 연구팀은 M점 부근에 나타난 기이한 페르미면 토폴로지모양을 관찰하였고 2개의 Dirac cone-like구조와 유사한 strong spots가 존재한다는 것을 발견하였다. 이 측정결과는 단순히 에너지밴드를 계산하는 방법으로는 해석할 수 없다. 초전도성은 2개의 전자가 쿠퍼 쌍(cooper electronic pair)을 형성하여 실현하는 것으로, 초전도 에너지갭의 대칭성은 초전도 미시적 메커니즘을 구축하는데에 중요한 역할을 한다. 저우싱쟝연구팀은 가장 먼저 철베이스 초전도체의 에너지갭구조를 보도하였다. 연구팀은 최적의 도핑（Ba0.6K0.4) Fe2As2초전도체의 전자구조와 에너지갭의 측정[Lin Zhao et al., Chin. Phys. Lett. 25, 4402(2008)]을 통해, 초전도 에너지갭이 페르미면에서 기본적으로 등방성을 나타낸다는 것을 발견하였으며, 노드(초전도 에너지갭이 제로인 점)는 측정하지 못했다. 또한 초전도에너지갭은 페르미면과 관련되는데, 페르미면에 따라 나타난 초전도체 에너지갭의 크기도 부동하다. 측정결과, 철베이스 초전도체의 초전도에너지갭은 등방성의 s파와 일치하며 철베이스 초전도체의 초전도 대칭성 확정에 중요한 정보를 제공하였다. 철베이스 초전도체 모체는 반강자성체 금속이며, 초전도성은 모체에 캐리어(전자 혹은 홀)를 도핑하거나 혹은 외부 압력을 가하여 반강자성을 억제하는 방법으로 실현한다. 따라서 반강자성 모체에서 초전도체로의 전환, 반강자성체와 초전도체와의 관계를 연구하는 것은 초전도체메커니즘을 이해하는데에 중요한 의의를 지닌다. 저우싱쟝연구팀은 기타 연구팀과 협력하여 철베이스 초전도체 122시리즈 모체 BaFe2As2에 대한 연구를 수행하였다[Guodong Liu et al., Phys. Rev. B 80, 134519 (2009)］. 연구팀은 자석전환/구조전환 전후 BaFe2As2의 전자구조가 단순한 에너지갭의 중첩(folding)으로 나타나는 것이 아니라 치열한 전자구조의 재조합(reorganization)으로 나타나며, 자석질서배열에서 에너지갭이 열리는 것은 발견하지 못하였다. 이를 토대로 연구팀은 BaFe2As2의 자석전환은 일반 스핀밀도파의 형성과는 뚜렷이 구별된다는 논점을 제출하였다. 철베이스 초전도체 1111시리즈 모체 CeFeAsO의 연구를 통해［Haiyun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 105, 027001 (2010)］, 최초로 brillouin zone 중심에 하나의 큰 홀모양의 페르미면이 존재한다는 것을 최초로 발견하였다. 하지만 기존의 에너지밴드구조계산에는 페르미면의 존재를 예언한적 없는데, 철베이스 초전도 1111체계에 가능하게 표면상태가 존재한다는 것을 뜻한다. 그밖에 철베이스 초전도체 모체에서도 처음으로 분산에 비틀림(Kink)이 생기는 것을 관찰하였다. 2010년 철베이스 초전도체 AxFe2-ySe2（A=K，Tl，Cs，Rb，등）의 발견으로 철베이스 초전도체 연구의 새로운 붐을 일으켰고 또한 기타 철베이스 초전도체계열의 현존의 중요한 관념에 대해서도 도전장을 내걸었다. 기타 철베이스 초전도체는 brillouin zone 중심에 보편적으로 홀모양의 페르미면이 존재한다는 것이 과거의 관점이었다. 전자의 이러한 점 부근의 홀모양 페르미면과 M점 부근의 전자모양 페르미면간의 분산 및 페르미면간의 nesting구조는 철베이스 초전도체가운데 s+- 초전도 페어링을 형성한 원인으로 간주되었다. AxFe2-ySe2의 발견으로 기존 관점의 정확성에 질의를 제기한 것이다. 이는 초전도체 임계온도가 30K이상에 도달하였지만 에너지밴드구조를 계산해보면 오히려 brillouin zone 중심에 더 이상 홀모양의 페르미면이 없기에, 페르미면의 nesting 및 전자의 홀모양 페르미면과 전자모양 페르미면간의 분산도 존재하지 않는다. 새로운 철베이스 초전도체의 전자구조와 초전도 에너지갭에 대한 연구는 철베이스 초전도체의 초전도메커니즘을 완전히 이해하는데에 중요한 정보를 제공하였다. 저우싱쟝연구팀은 AxFe2-ySe2초전도체의 각분해 광전자분광연구를 통해 임계온고가 32K인 Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2의 초전도체에서 brillouin zone의 Γ점에는 홀모양의 페르미면이 확실히 존재하지 않음을 발견하였다. 더욱 중요한 것은 Γ점을 둘러싼 2개의 전자모양의 페르미면을 처음으로 관찰하였는데, 이는 에너지밴드이론예측 및 일부 실험측정으로 얻은 페르미면과는 완전히 달랐으며, AxFe2-ySe2의 전자구조를 완전히 인식하는데 중요한 실험근거를 제공하였다. 초전도에너지갭 측정결과 Γ점을 둘러싼 바깥층 전자모양 페르미면 및 M점을 둘러싼 전자모양 페르미면은 모두 에너지갭의 노드가 존재하지 않으며 등방성에 까까운 초전도 에너지갭을 지니는 것으로 초전도 페어링 대칭성은 S파에 치우침을 나타내었다. 이 결과는 철베이스 고온초전도체 메커니즘의 구축을 위해 중요한 정보를 제공하였다. 관련 문장은 최신호 Physical Review Letters［Daixiang Mou et al., Phys. Rev. Lett. 106, 107001 (2011)］에 발표되었고, ‘편집추천’논문으로 선정되었다. 연구팀은 또 K0.68Fe1.79Se2와 Tl0.45K0.34Fe1.84Se2초전도체의 고해상도 광전자분광에 대한 연구［Lin Zhao et al., Phys. Rev. B 83, 140508(R) (2011)］가운데 위의 초전도체가 Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2와 페르미면 토폴로지구조가 유사하다는 것을 발견하였다. 즉 brillouin zone 중심의 Γ점에 2개의 전자모양의 페르미면이 존재함을 의미한다. 이는 AxFe2-ySe2체계의 프리미면 측정상의 차이를 통일시켰을 뿐 아니라, AxFe2-ySe2계열중 전자구조의 공통성도 구축하였다. 정보출처 : 중국과학원 |
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