자기적으로 주입된 강자성 위상 기하학적 절연체

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

지난 십년 동안 응집 물리학계에서 가장 획기적인 진보는 절연체로서 거동하는 벌크 내부에서 표면이 위상 기하학적으로 보호된 전기 전도도의 발견이다. 이런 상태는 여러 특이한 전기적 상태와 새로운 응용 가능성을 보여주고 있다. 그러나 예측된 많은 현상들이 관측되지 못하고 있다. 이제 이런 강자성 위상 기하학적 절연체의 표면 특성의 원자 수준 연구를 통하여 이런 물질을 더욱 자세히 알 수 있게 되었다. 미국 에너지부 산하 브룩하벤 국립 연구소의 연구진은 디랙 질량으로 알려진 표면 전자들의 기본적인 특성에서 극도로 무질서함이 있다는 것을 밝혀내었다. 최근 확인된 힉스 필드와 상호작용함으로써 기본적인 입자에 전달된 질량과 같이, 디랙 질량은 표면 입자가 자기장과 상호 작용함으로써 생겨난다. 이런 필드는 강자성 위상 기하학적 절연체로 변환되는, 물질의 결정 격자 안으로 치환된 자기 원자의 존재에 의해서 생성된다. 이들 연구진은 그들이 발견한 것은 디랙 질량이 나노스케일에서 극도로 무질서하다는 것이며, 이런 사실은 전혀 예상하지 못한 것이라고 말하였다. 기본 입자의 경우 유사한 상황은 힉스 필드가 전체 공간을 통해서 임의적이어 전자 질량이 모든 위치에서 임의적으로 다른 것이다. 그것은 매우 혼돈적인 우주가 될 것이다. 강자성 위상 기하학적 절연체에서, 혼돈은 궁극적으로 특이한 표면 상태를 파괴할 것이다. 이들의 발견은 강자성 위상 기하학적 절연체에서 존재할 것이라고 예상된 많은 전자구조적인 현상이 실제로 이런 상태를 발생시키는 원자들에 의해서 억제된다는 것을 설명하였으며 관측된 특성이 발생하는 진정한 원자 스케일 메커니즘에 대한 직관을 제공하여 준다고 연구진은 말하였다. 이 새로운 이해는 이 분야에서 기초 연구 방향의 재정립할 수 있게 해 줄 것이다. 이들 연구진은 브룩하븐 국립 연구소에서 성장된 거의 완벽한 강자성 위상 기하학적 절연체 결정을 연구하였다. 그들은 분광기 영상, 주사 투과 현미경을 이용하여 이런 결정들의 표면을 연구하였다. 이런 장비는 동시에 자기적으로 주입된 원자들의 위치와 결과적으로 나타나는 디랙 질량을 밝혀준다. 이런 연구 이전에, 과학자들은 이런 자기적 주입 원자들이 위상 기하학적 표면 상태에 유해하지 않다고 가정하였다. 그러나 원자 스케일에서 자기 주입된 원자들의 공간적 정렬이 어떻게 디랙 질량에 영향을 미치는지 직접적으로 연구할 수 없었다. 그 이유는 이런 연구를 수행할 수 있는 적합한 도구가 없었기 때문이다. 새로운 데이터는 디랙 질량의 나노스케일 무질서를 밝혀낼 뿐만 아니라 이런 무질서가 결정 표면의 다른 영역에서 자기 주입된 원자들의 밀도 변이와 직접적인 연관이 있다는 것을 보여주었다. 이 논문에서, 과학자들은 또한 처음으로 위상 기하학적 절연체에서 표면 강자성이 어떻게 발생하는지에 대한 실제적인 메커니즘의 직접적인 증거를 제공하였다. 디랙 질량 갭지도 기술은 강자성 위상 기하학적 절연체 물리학에 대한 완전히 다른 새로운 관점을 제공하여 줄 것이라고 연구진은 말하였다. 첨부그림: 위상 기하학적 절연체 표면에서 크로뮴 주입 원자 위치 이미지. selfdestruct.png http://phys.org/print340887351.html