상온 위상 절연체에서 최초로 새로운 양자 효과 관찰

처음으로 물리학자들은 상온 위상 절연체에서 새로운 양자 효과를 관찰했다.

프린스턴 대학(Princeton University) 연구진이 비스무트 원소를 기반으로 하는 토폴로지 물질을 탐구해 이 같은 발견을 했다.

과학자들은 위상 절연체를 사용하여 10년 이상 양자 효과를 입증했지만 이러한 효과가 실온에서 관찰된 것은 이번 실험이 처음이다. 일반적으로 위상 절연체에서 양자 상태를 유도하고 관찰하려면 화씨 -459도(섭씨 -273도)에 해당하는 절대 영도 부근의 온도가 필요하다.

이 발견은 더 높은 에너지 효율을 위해 현재의 많은 전자 시스템을 잠재적으로 대체할 수 있는 스핀 기반 전자와 같은 효율적인 양자 기술의 개발을 위한 새로운 가능성을 연다.

연구는 네이처 머티리얼즈 10월호의 표지 논문으로 발표됐다.

연구를 주도한 프린스턴 대학의 유진 히긴스 물리학 교수 M. Zahid Hasan은 “물질의 새로운 위상 특성은 기본 물리학 관점에서 그리고 차세대 양자 공학 및 나노 기술의 잠재적 응용 프로그램을 찾기 위해 현대 물리학에서 가장 많이 찾는 보물 중 하나로 부상했다.”라고 말했다.

Hasan은 “이 작업은 Princeton에 있는 우리 연구실의 여러 혁신적인 실험적 발전으로 가능했다”고 덧붙였다.

양자 토폴로지(quantum topology)의 신비를 조사하는 데 사용되는 주요 장치 구성 요소를 토폴로지 절연체라고 한다. 이것은 내부에서 절연체 역할을 하는 독특한 장치다. 즉, 내부의 전자가 자유롭게 움직일 수 없으므로 전기를 전도하지 않는다.

그러나 장치 가장자리의 전자는 자유롭게 움직일 수 있으므로 전도성이 있다. 또한 토폴로지의 특수 특성으로 인해 가장자리를 따라 흐르는 전자는 결함이나 변형에 의해 방해받지 않는다. 이 장치는 기술을 향상시킬 뿐만 아니라 양자 전자 특성을 조사하여 물질 자체에 대한 이해를 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

그러나 지금까지 소재와 소자를 기능성 소자에 응용하는 데 큰 걸림돌이 있었다. Hasan은 “토폴로지 재료에 대한 많은 관심이 있고 사람들은 실제 응용에 대한 큰 잠재력에 대해 자주 이야기하지만 실온에서 일부 거시적 양자 위상 효과가 나타날 수 있을 때까지 이러한 응용은 실현되지 않은 채로 남아 있을 것”이라고 말했다.

이는 주변 또는 높은 온도가 물리학자들이 “열 소음(thermal noise)”이라고 부르는 것을 생성하기 때문이다. 이는 원자가 격렬하게 진동하기 시작하는 온도 상승으로 정의된다. 이 동작은 섬세한 양자 시스템을 방해하여 양자 상태를 붕괴시킬 수 있다. 특히 위상 절연체에서 이러한 더 높은 온도는 절연체 표면의 전자가 절연체의 내부 또는 “벌크”를 침범하고 거기에 있는 전자도 전도를 시작해 특별한 양자 효과가 희석되거나 파손되는 상황을 만든다.

이 문제를 해결하는 방법은 이러한 실험을 일반적으로 절대 영도 또는 거의 절대 온도와 같은 환경에 적용하는 것이다. 이 믿을 수 없을 정도로 낮은 온도에서 원자 및 아원자 입자는 진동을 멈추고 결과적으로 조작하기가 더 쉽다. 그러나 극저온 환경을 만들고 유지하는 것은 많은 애플리케이션에서 비실용적이다. 비용이 많이 들고 부피가 크며 상당한 양의 에너지를 소비한다.

프린스턴 연구팀은 이 문제를 우회하는 혁신적인 방법을 개발했다. 위상 재료에 대한 경험을 바탕으로 많은 협력자들과 수처리 및 화학 분석에 때때로 사용되는 무기 결정질 화합물인 비스무트 브로마이드(화학식 α-Bi4Br4)로 만든 새로운 종류의 위상 절연체를 제작했다.

이 발견의 뿌리는 1985년 노벨 물리학상을 수상한 위상 효과의 한 형태인 양자 홀 효과(quantum Hall effect)의 작용에 있다. 그 이후로 위상 위상에 대한 연구가 집중적으로 이루어졌다. 위상 절연체, 위상 초전도체, 위상 자석 및 Weyl 반금속을 포함하여 위상 전자 구조를 가진 많은 새로운 종류의 양자 물질이 발견됐다.

실험적 발견이 빠르게 이루어지고 있는 동안 이론적 발견도 진행됐다. 2차원(2D) 위상 절연체에 대한 중요한 이론적 개념은 1988년 셔먼 페어차일드 대학교 프린스턴 물리학 교수인 F. Duncan Haldane에 의해 제시됐다.

위상 상전이와 2차원 위상 절연체 유형에 대한 이론적 발견으로 2016년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후의 이론적 발전은 위상 절연체가 전자의 스핀-궤도 상호작용에 기반한 Haldane 모델의 두 복사본 형태를 취할 수 있음을 보였다.

Hasan과 그의 팀은 2007년 3차원 위상 절연체의 첫 번째 예를 발견한 후 실온에서도 작동할 수 있는 위상 양자 상태를 10년 동안 연구해 왔다.