UNIST·펜실베이니아주립대 공동 연구팀
1차원 나선형 물질의 위상 전하 펌핑 작동 원리
스크류처럼 꼬인 나선형 나노선이 전자를 정해진 양만큼 한 방향으로 옮기는 양자 펌프처럼 작동할 수 있는 것으로 확인됐다.
박노정 UNIST 물리학과 교수팀은 빙하이 얀(Binghai Yan) 미국 펜실베이니아주립대 교수팀과 공동으로 아르키메데스 펌프처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 위상 전하 펌프처럼 작동할 수 있다는 것을 이론적으로 규명했다고 4일 밝혔다. 전하 이동 과정에서 궤도각 운동량과 스핀 분극이 함께 나타난다는 것도 확인했다.
아르키메데스 펌프는 회전 운동만으로 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올릴 수 있게 고안한 고전적 장치다. 물 통 속 스크류를 천천히 돌리면 아래쪽 물이 나선 사이에 갇혀 위쪽으로 조금씩 올라간다.
공동 연구팀은 스크류처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 양자역학 세계에서 이와 비슷한 역할을 할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 전하를 한 방향으로 옮기고, 한 번의 회전 주기마다 이동하는 전하량이 정해진 값으로 고정되는 '위상 전하 펌프'로 작동할 수 있다는 것이다.
위상 전하 펌프는 외부 조건을 한 주기씩 천천히 바꿀 때 전하가 일정한 방향으로 이동하는 양자 현상이다. 일반적인 전류처럼 도체 물질에 전압을 걸어 전자를 흘려보내는 것이 아니라, 부도체 상태에 전자의 양자 상태를 한 바퀴 순환시켜 전하를 옮긴다.
기존에도 양자역학적 위상 펌프는 알려져 있었으나 두 가지 인자를 정교하게 조절해야 하는 방식이었다. 연구팀은 나선형 탄화수소 모델과 삼방정계 셀레늄 나노선을 대상으로 시간에 따라 변하는 전자 상태를 분석해 아르키메데스형 나선형 물질에서는 전기장의 방향을 한 바퀴 돌리는 하나의 조건만으로도 전하 펌핑이 가능하다는 것을 밝혔다.
전하 펌핑이 궤도각운동량과 스핀 분극 현상으로 이어지는 것도 확인했다. 전자가 나선형 구조를 따라 펌핑되는 동안 궤도각운동량이 함께 생겼고, 셀레늄 나노선에서는 이 가운데 일부가 스핀-궤도 결합에 따라 스핀 분극으로 바뀌었다.
박노정 교수는 “손대칭성 나노선에서 위상학적 전하 펌핑, 궤도각운동량, 스핀 분극화가 하나의 통합된 메커니즘으로 연결돼 있음을 확인했다”며 “향후 나노소자에서 전자, 궤도, 스핀 특성을 위상학적으로 제어하는 새로운 방법론 개발의 토대가 될 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
