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상온 양자 신소자 개발 및 응용 가능성 제시

왼쪽부터 부산대 황춘규 교수, 이지은 박사.

[대학저널 이선용 기자] 부산대학교 물리학과 황춘규 교수 연구팀이 한·미 국제 공동연구를 통해 상온 양자 반도체 소자로 활용할 수 있는 상온 비선형 홀 효과를 실현하고 세계 최초로 그 발생 원리를 규명했다.

홀 효과는 전기장 및 자기장이 물질 내에 가해질 때 물질 내 전자의 흐름이 특정 방향으로 편향되면서 전압이 발생하는 현상이다.

이번 연구의 배경이 되는 ‘홀 효과’는 1879년 에드윈 홀이 발견한 현상이다. 전기장과 자기장이 함께 물질에 가해질 때, 전자의 흐름이 특정 방향으로 편향돼 전류와 자기장의 방향에 수직하게 전압이 발생하며, 이를 통해 전하 운반자 종류와 밀도 같은 고체 물질 내의 기본적 정보를 알아낼 수 있다.

이후 양자역학의 발전과 함께 홀 효과에 대한 연구는 비약적인 발전을 이뤄 왔다. 외부 자기장 없이도 자석 물질의 자화로 인해 발생하는 ‘비정상 홀 효과’뿐만 아니라, ‘양자 홀 효과’, ‘스핀 홀 효과’ 등과 같은 다양한 홀 효과들이 발견돼 새로운 패러다임의 소자 개발 가능성이 제시되고 있으며, 홀 효과는 고체 물리학의 중요한 분야 중 하나로 지속적인 연구가 진행되고 있다.  

 

NbIrTe₄의 비선형 홀 효과와 전자 구조 내의 베리 곡률 쌍극자.

최근 물질 내부의 자성뿐만 아니라 외부 자기장이 없음에도 불구하고 홀 효과가 발생할 수 있음이 관찰됐으며, 이를 ‘비선형 홀 효과’라고 한다. 이 새로운 전자 수송 현상은 극소수의 연구에서 보고된 바 있으나, 발생 원리를 설명하는 연구 결과와 더불어 소자 활용의 측면에서 가장 필수적인 상온에서 발현되는 비선형 홀 효과에 대한 연구 결과 또한 아주 극소수만 보고됐다.

연구팀은 위상학적 준금속인 NbIrTe₄라는 물질로 이차원 소자를 제작해 비선형 홀 효과를 실현했으며, 저온에서 상온까지 온도를 변화시켜도 비선형 홀 효과가 유지되나 그 방향은 바뀔 수 있음을 발견했다. 전자 구조에 대한 실험과 이론적 계산을 통해 베리 곡률 쌍극자가 비선형 홀 효과의 발생 및 제어 원리임을 밝혀냈다.

이번 연구로 비선형 홀 효과가 이론적으로만 연구돼 왔던 베리 곡률 쌍극자와 관련된다는 직접적인 증거를 제시했다. 더 나아가 상온에서도 비선형 홀 효과가 발현될 수 있는 새로운 물질을 발견해 응용 가능성을 극대화시켰다는 점에서 매우 의미가 있다.

제1저자인 부산대 물리학과 이지은 박사는 “이번 연구는 상온 비선형 홀 효과를 가진 신물질을 발견하고 그 발생 원리를 직접적으로 제시함으로써, 역으로 상온 홀 효과를 가진 물질에 대한 힌트를 제시할 수 있을 뿐만 아니라 양자 물리량을 제어하는 새로운 양자 기술 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 

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