2차원 토폴로지 절연체(two dimensional topological insulators)의 체 내는 절연 상태이지만 변두리는 에너지 갭이 없는 금속 전도 상태이다. 뿐만 아니라 이런 금속 상태 속에는 스핀-운동량(Momentum)의 잠금 관계(Lock relationship)가 존재하며 상반되는 스핀의 전자 방향과 반대되는 방향 운동이 존재한다.

시간 반전 불변성 보호를 받기 때문에 스핀-운동량의 잠금 관계와 상반되는 스핀의 전자 방향과 반대되는 방향 운동 간의 산란은 금지되어 있기 때문에 스핀 전송의 이상적인 `양방향 레인` 고속 도로로 되어 신형 저 에너지 소모의 고성능 스핀 전자 장치에 사용할 수 있는 상황이다.

기존의 실험을 통해 입증된 2차원 토폴로지 절연체는 HgTe/CdTe와 InAs/GaSb 등 양자 우물(Quantum wells)이다. 하지만 이런 샘플 개발은 정밀한 조정 제어가 필요하기 때문에 규모화 생산에 불리한 상황이며 물리적 에너지 갭이 작기 때문에 저온 하에서 응용되어야 하는 상황이다. 이런 상황은 2차원 토폴로지 절연체의 실제 응용에 영향을 끼치고 있다.

한 개 이상적인 2차원 토폴로지는 반드시 다음과 같은 두 가지 조건을 보유해야 한다. 우선, 층상 구조를 보유하고 화학 안정성 2차원 시스템을 쉽게 취득할 수 있어야 한다. 다음, 물리적 에너지 갭이 크고 실온 하에서 양자 스핀 홀 효과를 측정하여 일상적인 전자 장치에 응용할 수 있어야 한다.

중국과학원 물리 연구소 산하 `베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음)` 소속 `응집물질 이론 및 재료 계산 실험실` 웡훙밍(翁紅明) 연구원과 다이시(戴希) 연구원, 팡충(方忠) 연구원은 관련 연구를 통해 폭넓은 재료 데이터베이스 검색을 실행하고 재료 계산과 결합하여 전이 금속 Zr과 Hf의 텔루라이드(Telluride)인 ZrTe5와 HfTe5를 함유할 것임을 예언하였으며 ZrTe5와 HfTe5의 단일 층은 큰 에너지 갭의 2차원 토폴로지 절연체에 속한다는 점을 확인하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 ZrTe5와 HfTe5의 단일 층의 직접 에너지 갭은 0.4eV에 달하고 간접 에너지 갭은 0.1eV에 달하여 모두 실온을 초월한다는 점을 발견하였다. ZrTe5와 HfTe5의 단일 층 간의 커플링 강도(强度)는 흑연(Graphite)과 비슷하기 때문에 간단한 기계 박리 방법(Mechanical stripping method)을 통해 단일 층 2차원 재료를 개발할 수 있어 대규모 생산업에 적합한 것으로 나타났다.

연구팀의 관련 계산 결과를 보면, 토폴로지 특성이 매우 큰 범위의 결정 격자 응변(10% 압축에서 20% 인장) 하에서 원 상태를 유지할 수 있기 때문에 다양한 기판과 응용 환경에 적용할 수 있는 것으로 나타났다. 이런 연구 결과들은 모두 ZrTe5와 HfTe5의 단일 층은 이상적인 2차원 토폴로지 절연체 재료에 속한다는 점을 입증해주고 있다.

그 외, 전이 금속 화합물에 속하기 때문에 다양한 금속 원소로의 대체 도핑이 비교적 쉬워 양호한 토폴로지 물질 특성 조정 제어 수단을 제공한다. 예를 들면 자기성 도핑은 양자화 변칙 홀 효과 등을 실현할 수 있다.

연구팀은 한층 더 심층적인 계산을 통해 3차원의 ZrTe5와 HfTe5는 3차원의 강하고 약한 토폴로지 절연체 상 변화 점 부근에 위치하여 있으며 열 팽창 냉 수축 혹은 미세한 압력은 강하고 약한 토폴로지 절연체의 변환을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 표면 상태 변화를 발생시킬 수 있다는 점을 입증하였다. 때문에 실험상에서 관측된 이런 양자 현상은 매우 흥미로운 현상에 속하고 있다.

이번 연구는 국가자연과학기금위원회와 국가과학기술부의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 추진되었다.연구팀의 관련 연구 성과는 물리학 분야 세계 최고 학술지인 `피지컬 리뷰 레터(Phys. Rev. Lett.)`에 실렸다(Phys. Rev. Lett. X4, 011002 (2014)).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』