Center for Relativistic Laser Science

온도와 수송자 밀도에 대한 도체-부도체 상전이 현상 모습. IBS 제공

국내 연구팀이 이차원 물질의 양자 상전이 특성 변화를 발견했다.

성균관대 에너지과학과 이영희 교수(IBS 나노구조물리연구단장) 연구팀은 최근 트랜지스터로 층상 구조 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)에서 나타나는 도체-부도체 상전이(MIT) 현상을 측정하고 양자 상전이 현상으로 설명이 가능하다는 것과 두께에 따라 상전이 특성이 바뀌는 것을 발견했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 학술지인 네이처 커뮤니케이션 온라인 판에 영국시간으로 24일 자 논문으로 게재됐다.
오래 전부터 이론적으로 이차원 이하의 시스템에선 부도체에서 도체로의 양자 상전이가 불가능하다고 예측되고 믿어져 왔다.

하지만 실리콘에서의 이차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상이 실험적으로 발견된 이후 수많은 연구가 진행돼 왔는데 전자사이의 상호작용이 이차원 시스템에서 도체-부도체 상전이의 요인이라는 것이 보통 통상적인 모형으로 받아들여지고 있다.

그러나 아직까지 이차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상은 물리학에서 가장 풀기 어려운 난제중 하나로 남아 있다.
도체-부도체 상전이를 양자 상전이로 보는 경우, 이차원 시스템에서 도체-부도체 상전이가 전자의 상호작용에 기인한 것이라는 데에 대체적으로 동의한다.

그러나 한계차원인 2차원에서 불순물과 상호작용의 상관관계를 이해하는 것은 미묘해 쉽게 이해할 수 없었다.
특히 두 효과가 비슷하게 중요한 경우는 이론적 접근이 어려울 뿐만 아니라 실험적으로도 가용 시스템의 한계 때문에 풀 수 없는 난제에 가까웠다.

연구팀은 이차원 반도체 물질은 불순물이 많은 반면 큰 유효질량과 작은 유전율 때문에 전자간 상호작용이 크고 또 두께에 따라 두 조건이 바뀔 수 있다는 점에 착안해 여러 두께의 이황화몰리브덴으로 불순물과 상호작용의 상관관계 및 새로운 물리 현상을 발견할 수 있을 것이란 기대감으로 실험을 수행했다.

그 결과, 이 물질 시스템에서의 도체-부도체 상전이가 양자 상전이로 설명되는 것을 확인했으며 다층에서처럼 전자간 상호작용이 충분히 큰 경우 불순물의 영향을 최소한으로 차폐시켜 마치 불순물이 없는 경우의 상전이처럼 작용할 수 있다는 것을 확인했다.

반대로 단층에선 불순물에 의해 상전이가 유도되며 따라서 다층에서 상호작용의 비대칭성에 의해서 생겨나는 비대칭적 임계지수가 단층에선 대칭적으로 바뀌는 현상을 확인했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com

출처 : 금강일보(http://www.ggilbo.com)

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