양자홀 효과는 그래핀과 같은 2차원 전자 시스템에 거대 자기장을 걸어주면 관측되는 놀라운 저항의 양자화 현상이다. 양자 홀 시스템에서, 시료의 너비를 가로질러 측정한 횡단 저항은 양자화된 값을 가진다. 홀저항을 극도로 정밀하게 측정할 수 있다는 것은 계측학 분야에 응용될 수 있다. 이것은 오늘날 표준 저항 정의값을 제공한다. 이 효과의 또 다른 핵심적인 특징은 시료의 길이에 따라 측정된 종단 저항이 사라진다는 것이다. 전자들은 시료의 가장자리를 따라 소멸없이 전송된다. 양자홀 시스템은 따라서 거의 에너지 소비가 없이 완벽한 저항 역할을 한다. 

기술적인 관점에서보면, 소멸 없는 전류는 흥미로운 것이다. 그러나 양자홀 효과는 일반적으로 현실성이 없는 극도로 낮은 온도와 강력한 외부 자기장이 존재할 때만 가능하다. 이제 미국의 스탠포드 대학과 MIT대학의 두 독립적인 연구 그룹이 위상 절연체의 박막이 거의 이상적인 양자 비정상 홀 효과를 발생시킨다는 것을 시연하였다. 즉, 0 자기장에서 양자 홀 효과가 나타난 것이다. 인가된 자기장이 없을 경우, 횡단 저항의 완벽한 양자화가 나타난다. 

양자 홀 수송은 원자 물리학에서 유사성을 찾아볼 수 있다. 원자 안에서, 전자들은 그들의 에너지를 잃지 않고 핵 주위를 돌 수 있다. 이것은 양자 역학의 법칙에 의해서 보장된 특성이다. 양자 홀 시료는 원자와 같지만 훨씬 더 커서 전자가 에너지 손실없이 시료 가장자리를 따라 거시적인 거리를 움직일 수 있게 해준다. 그와 같은 손실없는 양자 홀 가장자리 상태는 자기장에 의해서 유도된 밴드 구조의 독특한 위상학적인 특성에 의해서 기인한다. 이것은 전자가 국재화되거나 후방산란되는 것을 막아준다. 양자 홀 효과를 관측하기 위해 필요한 외부 자기장은 전형적으로 수 테슬라의 자기장을 필요로 한다.

이전의 이론적 연구는 양자 비정상 홀 효과가 자기장에 의해서 유도된 것과 유사한 위상학적으로 중대한 밴드 구조를 자연적으로 소유한 물질 안에서 가능할 수 있다는 것을 제안하였다. 이 아이디어는 1988년 처음으로 제안되었지만 위상기하학적인 절연체가 발견될 때까지 결코 실험적으로 검증되지 못하였다. 강자성 위상 기하학적 절연체로 만들어진 박막 안에서, 자발적인 자화와 위상기하학적 특성을 가진 전자들의 결합은 양자 홀 상태를 만들어내는 데 있어서 외부 자기장의 역할을 한다. 

2013년, 양자 비정상 홀 효과가 처음으로 Cr 주입된 (Bi,Sb) 2Te3 위상 기하학적 절연체로 만들어진 박막에서 관측되었다. 그러나 자기장의 세기가 0에서 종단 저항은 수 킬로Ω이었다. 이것은 양자 홀 가장 자리 상태 이외의 소멸 채널이 전도에 상당한 기여를 제공하였다는 것을 의미한다. 이 저항만이 수 테슬라의 외부 자기장이 인가된 상태에서 0으로 떨어졌다. 2개의 메커니즘이 양자 비정상 홀 시료의 잔류 종단 저항에 기여하는 것으로 보인다. 첫째, 만약에 강자성이 균일하지 않다면, 다른 또는 더 약한 자화를 가진 작은 영역은 가장 자리 전자들을 표면 및 벌크 상태와 같은 소멸 채널 안으로 산란시킬 수 있을 것이다.

둘째, 소멸 전도 채널은 독립적으로 전류의 일부를 전달할 수 있다. 간단히 말하면, 첫 번째 메커니즘은 직렬의 저항을 가장자리 상태 저항에 더하고 반면에 두 번째는 병렬 저항 채널을 만들어낸다. 이것은 0필드 소멸을 줄이기 위한 두 가지 가능한 방법을 암시하는 것이다. 첫 번째 방법은 더 강자성 정렬을 가진 물질을 사용하는 것이다. 이것은 Moodera 연구팀의 방법을 따르는 것이다. 이들 연구진은 자기 위상 기하학적 절연체 물질인 V 주입된 (Bi,Sb)2Te3를 사용하였다. 이것은 거대 보자력을 가지고 있다. 그와 같이 큰 보자력의 경우, 0필드에서 박막은 고도로 정렬된 강자성 상태 안에 있다. 이것은 양자 홀 가장자리 상태을 약화시키는 이종 강자성을 제거시킨다. V 주입된 (Bi,Sb)2Te3의 안정적인 강자성은 약 3Ω의 종단 저항을 발생시킬 뿐만 아니라 횡단 저항의 양자화도 가능하게 하였다.

두 번째 방법은 그것들을 국재화함으로써 평행 소멸 전자 채널의 영향을 최소화하는 것에 근거하고 있다. 소멸적인 채널들은 따라서 가장자리 상태의 매우 작은 저항에 평행한 거대 저항과 같이 거동한다. 전반적인 시료 저항은 따라서 낮은 저항에 의해서 좌우될 것이다. 이것은 Cr 주입된 (Bi,Sb)2Te3 박막을 사용한 골드하버-고도 그룹에 의한 전략이다. 이런 시료들은 이전의 연구와 비교해서 매우 다른 자기장 의존성을 보여주고 있다.

이들 연구진은 탈자기화에 의해 유도된 냉각 효과를 이용하여 약 1Ω까지 저항을 줄였다. 그리고 횡단 저항의 정밀한 양자화를 얻었다. 2차원 시스템에서 전자들의 움직임은 다른 산란 경로 사이의 양자 간섭에 의해 촉진되거나 고정될 수 있으며, 그 결과 국재화 또는 반국재화가 각각 발생한다. 이들 연구진에 의해서 사용된 것과 같은 자기 위상 기하학적 절연체에서, 비정렬의 정도, 주입 수준 그리고 자기 특성은 다른 국재화 또는 반국재화 영역 사이의 교차를 제어할 것이다. 이런 영역은 각각 다른 횡단 저항의 자기장 의존성을 보인다. 

2차원 실험에서 시연된 극도로 낮은 종단 저항은 소멸 가장자리 상태가 0의 자기장에서 수송 특성을 결정한다는 것을 보여주었다. 이 효과는 양자 홀 효과와 초전도와 같이 강한 자기장을 견딜 수 없는 다른 효과 사이의 상호 작용을 연구할 수 있는 기회를 제공한다. 초전도 양자 홀 시스템은 키랄성 위상 기하학적 초전도체가 될 것으로 예측되고 있다. 이것은 위상 기하학적 양자 컴퓨팅을 실현하는데 사용될 수 있다. 그러나 양자 홀 효과에 필요한 거대 자기장은 대부분의 초전도 상태를 파괴할 것이다. 

0 필드 양자 비정상 홀 효과는 이제 그와 같은 연구를 수행하는 시발점이 될 것이다. 이들의 연구 결과는 실질적인 소멸없는 양자 홀 가장자리 상태의 응용을 위한 중요한 시작이다. 물리학자들은 이제 양자 비정상 홀 효과 영역에 들어가기 위해 필요한 온도를 어떻게 높일 수 있는지를 이해할 필요가 있다. 지금까지는 100밀리켈빈 이상의 온도로 증가시키는 연구를 할 수가 없었다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 및 Nature Materials 저널에 발표되었다.

첨부그림. (왼쪽) 거대 자기장하에서 2차원 전자 시스템에서 양자홀 효과가 발생한다. 횡단 저항은 양자화된 값을 가지지만 종단 저항은 사라진다. (오른쪽) 양자 비정상 홀 효과는 인가된 자기장 없이 양자 홀 특징을 가진다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』