KIMS 해외단신 100호 (2011.11.24)

질량제로‘디락전자’에 질량을 부여하는 기술

    일본 마이나비뉴스 2011년 11월 11일자 기사에서는 일본 동북대학교 외 공동연구팀이 질량이 없는 ‘디락전자’에 질량을 부여하는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.
    다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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    일본 동북대학 및 오사카대학, 고에너지가속기연구기구(KEK)는 11월 10일 ‘위상학적(topological) 절연체’의 질량제로 ‘디락전자’에 질량을 자유자재로 부여하는 새로운 기술을 개발했다고 발표했다. 동북대학대학원, 오사카대학산업과학연구소의 연구팀 및 동북대학 원자분자재료과학고등연구기구의 연구팀이 공동개발한 이번 기술의 성과는 영국 과학잡지 ‘네이처 Physics' 2011년 11월호(온라인판 8월 14일 공개)에 게재되었다.

   위상학적(topological) 절연체는 일반적인 절연체와 약간 다른 특징을 가지고 있다. 물질 내부에서는 전기가 통하지 않지만 표면에서만은 전기를 흘려주는 특수한 금속상태가 되는 물질로 ‘스핀트로닉스’ 디바이스의 신재료로 주목받고 있다.

   위상학적 절연체의 핵심은 질량이 없는 입자처럼 행동하는 디락전자이다. 디락전자는 전류의 방향에 따라 전자가 가지는 자성(스핀)을 제어할 수 있어 전하와 스핀을 제어해 이용하는 차세대 정보통신기술인 스핀트로닉스 분야로의 응용이 가능하다.

   연구팀은 작년 발견된 위상학적 절연체 'TlBiSe2'(Tl:탈륨, Bi:비스무트, Se:셀렌)와 절연체 'TlBiS2'(S:유황)를 결합한 결정을 육성해 그 벌크(물질내부) 및 표면의 전자에너지 상태를 KEK 포톤팩토리의 빔라인 'BL-28A'와 동북대 ‘광전자분광장치’를 이용해 ‘각도분해전자분광’으로 조사했다. 각도분해광전자분광은 광전효과에 의해 방출된 광전자 에너지의 방출각도의존성을 측정해 물질 내의 전자상태를 조사한다.

   그 결과 TlBiSe2의 셀렌원자 일부를 유황원자로 바꾸어줌으로써 디락전자가 질량을 가지도록 할 수 있다는 사실을 발견했다. 더욱이 그 질량은 유황의 조성비에 따라 자유자재로 제어할 수 있다는 사실도 알아냈다.

   이는 위상학적 절연체 표면에 있는 디락전자에 지금까지와는 다른 방법으로 질량을 부여할 수 있다는 것을 최초로 판명한 예이다. 연구팀은 디락전자가 질량을 가지도록 운동을 제어하는 기술은 위상학적 절연체를 이용한 차세대 에너지절약 디바이스 및 양자 컴퓨터 등의 개발에 새로운 지침을 마련한 것이라고 했으며 이를 통해 HDD를 대용량화한 거대 자기저항효과의 대표인 스핀트로닉스 기술의 새로운 전개가 기대된다.

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