UNIST(총장 정무영)는 박노정 자연과학부 교수팀이 '스핀 홀 전도도' 측정으로 위상부도체를 구분할 수 있다는 것을 입증했다고 25일 밝혔다.
위상부도체는 안쪽은 부도체이고 바깥쪽은 전기가 흐르는 독특한 물질이다. 지금까지는 위상부도체의 여부를 수학적 계산으로 확인했는데, 이 연구로 실험을 통해 위상부도체를 가려낼 수 있게 됐다.
박 교수팀은 물질에 한 방향으로 전압을 가하면 나타나는 '스핀 홀 전도도'를 이용해 위상부도체를 구분할 수 있다는 걸 입증했다. 측정 전도도가 '제로(0)'이면 일반 부도체이고 1, 2, 3으로 똑 떨어지는 덩어리 값(양자)이 나오면 위상부도체임을 확인했다. 도체는 양자화가 안 된 불규칙한 값이 나온다.
박 교수팀은 먼저 위상부도체를 구분하는 측정값으로 '스핀 홀 전도도' 적당하다는 것을 찾아냈다. 전자의 자전을 말하는 '스핀(spin)'은 물질마다 고유한 형태를 가진다.
위상부도체는 물질 내부에 있는 스핀들이 평형을 이루는데, 전기를 흘려주면 같은 방향의 스핀끼리 정렬되는 현상이 나타난다. 이 현상을 관측해 스핀 홀 전도도를 측정할 수 있다.
홀 전도도는 물질에 전압과 자기장을 동시에 걸어 나타나는 전자의 이동 특성이다. 보통 자기장이 커질수록 늘어나고 연속으로 상승한다. 미시 세계에서는 연속으로 바뀌지 않고 계단을 오르듯 증가한다. 이런 현상을 '양자화된 홀 전도도'라 한다.
박 교수팀의 계산에 따르면 스핀 홀 전도도는 위상부도체 같은 독특한 물질에서만 '양자화된 스핀 홀 전도도'를 나타냈다. 따라서 스핀 홀 전도도를 측정하면 위상부도체를 가려낼 수 있다. 수학적으로 유도한 방식이 아닌 실험으로 관측할 수 있는 물리량으로 위상부도체의 특성을 구분해낼 수 있음을 밝힌 것이다.
이번 연구 성과는 실리콘 반도체의 한계로 그간 만들기 어려웠던 초미세 전자장치 개발에 기여할 것으로 전망된다. 박노정 교수는 “양자역학이 지배하는 미시세계에서 활약할 전자장치 소재 가운데 하나로서 위상부도체 연구도 활발한 추세”라며 “이번 연구 결론은 향후 전혀 새로운 전자장치 개발에 초석이 될 것”이라 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
