양자소재의 이론 연구에서 거둔 새로운 성과

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

최근 중국 과학기술대학 허베이(合肥)마이크로척도물질과학국가실험실 장진위(张振宇) 교수가 주도하는 연구팀의 친워이(秦维) 박사는 양자소재의 이론 연구에서 새로운 성과를 올렸다. 이 연구성과는 손대칭성(chirality) 토플로지 초전도체(Topological superconductors)와 마요라나 페르미온(Majorana fermion) 실현에 새로운 가능성 체계를 제시했다. 관련 연구성과는 2014년 12월 31일, 물리학 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재되었다. 토플로지 초전도체와 마요라나 페르미온은 현재 응집물리(Condensed State Physics) 분야에서 주목받는 연구 대상이다. 마요라나 페프미온은 자신의 반입자로 비아벨(nonabelian) 양자 통계에 복종한다. 때문에 토플로지 양자 계산에 활용되고 있다. 이론적 차원에서 볼 경우, 마요라나 페르미온은 토플로지 초전도체에 존재한다. 예를 돌면 스핀이 없는 p파 초전도체의 양자 자속(magnetic flux) 소용돌이(Vortex)와 스핀이 있는 p파 초전도체의 양자 자속 소용돌이 주위에 모두 제로 에너지의 마요라나 페르미온이 존재하고 있다. 실험에서도 논쟁의 여지가 없이 마요라나 페르미온의 존재를 관찰할 수 있다. 이는 물리학 분야에서 직면한 거대한 도전이 되고 있다. 미국 매사추세츠 공과 대학( Massachusetts Institute of Technology)의 교수로 활동하고 있는 중국적 푸량(付亮)과 그의 지도 교수인 미국 과학자 C. Kane 교수는 몇 년 전, S파 초전도체와 3차원 토플로지 절연체 사이의 근접 효과를 통해 같은 효과의 p파 초전도체를 실현할 수 있다는 예측을 최초로 내놓았다. 손대칭성 토플로지 초전도체, 그리고 시간반전(time reversal) 대칭성 파괴를 실현하기 위해 중국적 푸량(付亮)과 C. Kane 교수의 예측을 기반으로 과학자들은 철자석 절연체, 강스핀 궤도 소용돌이의 반도체 박막과 S파 초전도체 등으로 구성된 샌드위치(sandwich) 헤테로 접합(heterojunction)을 디자인했다. 이 중 근접효과 도입으로 인해 시간반전 대칭성을 파괴함으로써 손대칭성 토플로지 초전도체를 실현했다. 이러한 이론적 예측은 응집물리 분야 실험에서 관찰한 마요라나 페르미온에 대한 연구 붐을 불러오고 있다. 그러나 연구 체계가 복잡하고 또 앞에서 보고된 결과들이 논쟁의 여지가 남아 있다. 때문에 간결한 구조 체계에서 손대칭 토플로지 초전도체를 실현하고 마요라나 페르미온을 더 정확하게 관찰하는가 하는 것이 기초연구와 응용에서 중요한 영향을 미친다. 이를 감안해 장진위(张振宇) 교수가 주도하는 연구팀의 친워이(秦维) 박사는 최초로 토플로지 절연체와 s파 초전도체 인터페이스(interface)에 자성(magnetism)을 섞은 원자를 희석하는 방법(그림a 참조)을 통해 시간반전 대칭성을 파괴했다. 이는 기존의 방법보다 훨씬 간결한 구조에서 토플로지 초전도체를 실현하는 방법으로 평가받고 있다. 연구팀의 연구에 따르면, 적당한 양의 자성 원자는 초전도체와 토플로지 절연체 인터페이스의 초전도성(그림b 참조)을 파괴하지 않는다. 뿐만 아니라 인터페이스에 소속된 토플로지의 쿠퍼전자(Cooper Electronics) 커플에 의해 철자석의 질서가 실현된다. 또한 초전도성과 철자석이 공존하고 있기 때문에 온도에 의한 토플로지 양자 상변(그림c 참조)을 통해 손대칭성 토플로지 초전도체 실현이 가능하다. 이러한 연구 성과는 마요라나 페르미온의 실험 관측에 더 새롭고 간결한 플랫폼을 제공해 줄 것으로 기대된다. 한편, 장진위(张振宇) 교수가 주도하는 연구팀은 중국 국가자연과학기금위원회, 중국 과학기술부와 양장정보양자과학기술선도혁신센터의 자금 지원을 받아 연구 과제를 수행하였다. 그림: 중국 과학기술대학 허베이(合肥)마이크로척도물질과학국가실험실 장진위(张振宇) 교수가 주도하는 연구팀이 양자소재의 이론 연구에서 거둔 새로운 성과. KISTI-15-0105-1-1.png http://www.cas.cn/syky/201501/t20150104_4293783.shtml