기초과학연구원(IBS) 연구팀이 세계 최초로 1차원 양자 금속을 구현하는데 성공했다.
기초과학연구원(IBS)는 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장(포스텍 신소재공학과 교수)과 하버드 대학 박홍근(Hongkun Park) 교수 공동 연구팀이 60년 전 제시된 ‘루팅거 액체 이론(Luttinger liquid theory)’을 최초로 실험 증명해냈다고 4일 밝혔다.
머리카락 굵기의 10만분의 1 정도의 폭을 가진 1차원 양자 금속을 구현하는 것에 세계 최초 성공했고 그 안에서 강한 전자 상호작용으로 유발되는 독특한 전자 수송 현상을 밝혀냈다.
루팅거 액체 이론 (Luttinger Liquid Theory)이란 1차원 전자계에서 전자 간 강한 상호작용을 통해 전도 특성이 나타내는 현상을 설명하는 이론이다. 이 이론은 1차원 물질에서 전자의 흐름이 전통적인 금속과는 다른 방식으로 이루어진다는 점을 강조하며, 전자 상호작용이 물질의 전기적 특성에 중요한 영향을 미친다고 제시한다.
좁은 골목길을 여러 차량이 일렬로 줄지어 통과하는 경우를 상상해보면 뒤차는 앞차를 앞질러 갈 수 없고 서로 간의 안전거리를 두며 서행해야 한다. 이와 유사한 상황이 1차원 금속 내의 전자에게도 발생한다. 3차원이나 2차원 공간의 자유 전자들과는 달리 1차원 공간에 속박된 전자들은 인접하여 서로에게 강한 상호작용을 유발한다. 전자들의 이러한 거동은 ‘루팅거 액체 이론(Luttinger liquid theory)’으로 설명된다. 하지만 이 이론은 실험적으로 검증할 수 있는 실체적 물질이 부재한 탓에 오랜 시간 동안 관련 연구는 제한적이었다.
IBS 연구팀은 이황화몰리브덴(MoS2)의 독특한 구조를 활용해 1차원 금속 구현에 성공했다. 이황화몰리브덴은 얇은 층이 겹겹이 쌓이는 구조를 가지며, 두 결정이 만나 형성되는 경계(결정립계)는 폭이 0.4나노미터(㎚·10억분의 1미터)에 불과하다.
이러한 결정립계의 종류 중 하나인 거울 쌍정 경계는 독특하게도 금속성을 나타내는 성질이 있어 연구진은 이에 영감을 얻었다. 사파이어 기판 위에 이황화몰리브덴을 성장시켜 의도적으로 이황화몰리브덴 거울 쌍정 경계를 수십 마이크로미터(㎛·100만분의 1미터) 길이까지 구현하는 것에 성공했다.
이어 이 경계가 전자를 수송하는 역할을 하는 소자를 제작해 극저온에서부터 실온까지 ‘루팅거 액체 이론’을 따르는 안정적인 1차원 전자계임을 확인했다. 이는 대규모 양자 소자 기술 개발의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.
또한 경계 내의 점결함(물질의 구조에서 원자나 이온이 결여된, 혹은 잘못 배열된 지점)이 전자 수송 현상에 미치는 영향을 밝혔다. 점결함의 밀도가 높아질수록 마치 교통체증이 발생하듯 전자의 이동 속도가 줄어들고 전자 간 상호작용이 더욱 강해지는 것을 확인했다. 이는 전자 수송 현상이 전자 간 상호작용 세기와 반비례함을 알 수 있다.
조문호 연구단장은 “이상적인 1차원 금속을 구현함으로써, 1차원 전자계의 근본적인 물리 특성을 규명할 수 있는 실험적 토대를 마련했다”며 “이는 1차원 양자 전자 시스템 기반의 광범위한 학술 연구와 응용을 가능하게 하는 획기적인 성과로 이를 바탕으로 차세대 양자 소자와 전자기술 개발로 이어질 다양한 응용 가능성을 열어갈 것”이라고 말했다.
이번 연구는 물리학 분야 최고 권위 학술지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 1월 27일 게재됐다.
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