[용인=뉴스핌] 우승오 기자 = 최석호 경희대학교 응용물리학과 고황명예교수 연구팀이 세계 최초로 2차원 바일 준금속에서도 원형 감광 기전 효과가 발생한다는 사실을 규명했다. 예측에 머물던 개념을 실제 평면 소자에서 구현한 첫 사례다.

21일 경희대에 따르면 연구팀은 10나노미터 이하 얇은 위상 준금속 박막을 정밀하게 제작해 2차원 바일 준금속을 구현하고, 회전하는 빛을 비췄을 때 전류가 어떤 방향으로 흐르는지 관찰했다.

최석호 교수. [사진=경희대]

그 결과, 회전하는 빛을 비췄을 때 빛 방향에 따라 전류가 달라지는 원형 감광 기전 효과가 실제로 나타났고, 더 나아가 효과가 발생하는 전자 구조와 물리 메커니즘까지 함께 규명했다.

부피가 크고 두꺼운 3차원 구조는 소형화나 집적화에 한계가 있지만, 2차원 바일 준금속은 얇고 유연한 구조 덕분에 소형 소자개발에 훨씬 적합하다.

이번 연구로 빛 회전 방향에 반응하는 전류 제어 기술을 활용해 차세대 양자정보처리 소자와 스핀 기반 광전 소자를 비롯해 최근 주목받는 양자소자 기술의 핵심 원리 구현이 기대된다.

바일 준금속(Weyl semimetal)은 전자가 마치 질량이 거의 없는 듯이 빠르게 이동하고, 자기장 세기와 방향에 극도로 민감하게 반응하는 새로운 종류의 금속이다.

이 같은 특성 때문에 정밀 자기장 센서, 고속 전자소자, 나노소자 같은 다양한 분야에서 그래핀을 이은 차세대 신소재로 주목받는다.

더구나 양자소자 핵심 원리를 구현하는 물질로 기대를 모으면서 관련 연구를 활발하게 진행 중이다.

바일 준금속의 대표 양자 특성 중 하나로 빛 회전 방향에 따라 전류가 흐르는 '원형 감광 기전 효과(Circular Photogalvanic Effect, CPGE)'가 있다. 지금까지 이 효과는 3차원 바일 준금속에서만 확인했다.

최 교수는 "그래핀 이후 차세대 신소재로 주목받는 위상 물질 분야에서 순수 이론을 넘어 실용 단계로 나아가는 중요한 전환점"이라며 "앞으로 고성능 에너지 변환 장치와 광전자 소자 개발뿐만 아니라 양자컴퓨팅과 같은 미래 핵심 기술의 실현을 앞당길 중요한 돌파구가 되리라 믿는다"고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원을 받아 수행했다. 경희대 최석호·김성 교수, 장찬욱 박사, 정태진 박사과정생을 비롯해 울산대, 호주국립대학, 호주 울릉공대학이 진행했다. 연구 성과는 국제 학술지 'Materials Today Physics(IF=10)' 최신호에 게재했다.

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