상압에서 전기저항이 0이 되는 새로운 소재 발견-IBS 나노구조물리 연구단, 삼차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi 발견

상압에서 전기저항이 0이 되는 새로운 소재 발견-IBS 나노구조물리 연구단, 삼차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi 발견

보도일 2021-07-12 10:45 연구단명 나노구조물리 연구단

 

 

상압에서 전기저항이 0이 되는 새로운 소재 발견

 - IBS 나노구조물리 연구단, 삼차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi 발견 -

 - 새로운 위상물질 탐색 및 양자컴퓨터 연구에 활용 기대 -   

 

양자컴퓨터 양자컴퓨터: 양자 얽힘을 이용하여 자료의 병렬 처리가 가능한 컴퓨터로, 기존의 방식으로 해결 할 수 없는 연산들을 매우 빠르게 할 수 있을 것으로 기대 받고 있는 컴퓨터.

의 큐비트 큐비트: 기존 컴퓨터의 비트(0또는 1의 값을 가짐)와는 달리 0 또는 1의 두가지 값을 가질 수 있을 뿐 아니라 0과 1이 동시에 존재하는 중첩된 상태로 표현 될 수 있는 비트.

를 만드는 것은 매우 어렵다. 극저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도상태 또는 진공상태 등 까다로운 제작조건이 필요하기 때문이다. 위상물리에서 발현되는 초전도 특성은 양자컴퓨터 큐비트를 구현할 수 있으나, 이러한 특성을 보이는 물질은 극소수이다. 그중 삼차원 위상 디락 반금속은 물질의 대칭 붕괴를 통해 초전도 등 다양한 물리현상을 보일  것으로 기대되나, 상압에서 나타나는 초전도 특성이 관측된 적은 없다. 

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 (단장 이영희) 김성웅 연구위원(성균관대 교수)과 송준성 박사후연구원은 한국과학기술원, 와이즈만연구소 등 국제공동연구진과 함께 상압에서 표면 초전도 현상 초전도 현상: 온도가 임계온도 이하에 도달하면 물질의 전기 저항이 0 이 되는 현상. 

을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속 삼차원 위상 디락 반금속: 디락 입자가 삼차원 운동량 공간에 존재하여 그래핀의 삼차원 유사체로 알려진 물질로 질량이 거의 없는 입자를 가지고 있어 매우 빠른 전하 이동도와 독특한 위상학적 특성을 보임.

 소재(KZnBi)를 발견했다. 연구진이 발견한 KZnBi는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다.

연구진은 디락 입자 디락 입자: 질량이 거의 없는 입자로 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 입자.

가 존재하는 2차원 물질인 그래핀의 평면 벌집 구조에 착안했다. 이를 통해 층상으로 쌓아올린 3차원 평면 벌집 구조 물질 KZnBi 합성에 성공했다. 각분해 광전자 분광 실험 및 이론 계산을 통해 삼차원 공간상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재하는 것을 밝힌 것이다. 

나아가 삼차원 위상 디락 반금속 KZnBi 물질의 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남도 확인했다. 임계 자기장 임계 자기장: 자기장이 충분히 강해져 물질의 초전도성이 깨지는 한계 자기장.

 측정을 통해 KZnBi 표면에 기존의 초전도체와는 다른 초전도 특성을 보이는 것을 발견했다. 지금까지 발견된 삼차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다. 그러나 이번 연구로 보통 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 0(영)이 되는 물질인 KZnBi를 발견한 것이다. 해당 소재는 새로운 위상물질 탐색은 물론, 양자컴퓨터 연구에 필수적인 위상물질 기반 기술 개발에 응용될 것으로 기대된다.

교신저자인 김성웅 연구위원은 “디락 물질로 대표되는 2차원 그래핀 소재 형성 원리를 응용하여 기존에 전혀 예측하지 못했던 물질을 발견했다”며“기존 연구의 한계를 뛰어넘은 새로운 양자 물질 발견으로, 앞으로 위상 초전도체와 양자컴퓨터 연구에 새로운 방향성을 제시할 것이다.”고 말했다. 

이번 연구는 물리 분야 권위지인 피지컬 리뷰 엑스 (Physical Review X, IF=12.577) 誌에 6월 28일자로 게재되었다.

 

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

논문

Coexistence of surface superconducting and three-dimensional topological Dirac states in semimetal KZnBi 

저널

Physical Review X 11, 021065 (2021)

저자

Junseong Song, Sunghun Kim, Youngkuk Kim, Huixia Fu, Jahyun Koo, Zhen Wang, Gyubin Lee, Jouhahn Lee, Sang Ho Oh, Joonho Bang, Taku Matsushita, Wada Nobuo, Hiroki Ikegami, Jonathan D. Denlinger, Young Hee Lee, Binghai Yan, Yeongkwan Kim, and Sung Wng Kim

연구내용

보충설명

- 위상물질에서 초전도 현상은 양자컴퓨터 구동을 위한 큐비트를 실현 할 수 있어 많은 연구자들의 관심을 받고 있다.

 

- 그중 삼차원 위상 디락 반금속은 결정의 대칭붕괴를 통해 초전도 현상을 비롯한 다양한 물리적 현상을 보일 수 있을 것으로 기대 받고 있지만, 현재까지 상압에서 초전도 특성이 관측된 적이 없다. 또한 현재까지 극소수의 삼차원 위상 디락 반금속 물질만이 발견되어 다양한 분야에서 널리 연구되지 못하고 있다.

 

- 본 연구에서는 P63/mmc 공간군에 속하는 KZnBi 물질을 성공적으로 합성하였으며 각분해 광전자 분광 실험 및 이론 계산을 통해 삼차원 운동량 공간상에 존재하는 디락 입자를 확인하였다.

 

- 자기저항 측정을 통해 얻어진 양자 진동 분석을 통해 매우 낮은 유효 질량과 매우 높은 Fermi 속도 및 전하 이동도를 확인하여 삼차원 디락 입자의 물리적 특성을 분석하였다. 

 

- 저온 물성 측정을 통해 표면 초전도 발현을 확인하였고, 임계 자기장 측정을 통해 종래의 초전도체와는 다른 특이한 초전도 특성을 보이는 것을 확인하였다.

연구 이야기

[연구 과정] 새로운 위상 물질을 찾아내기 위해 다양한 물질을 합성 후, 저온 물성 분석을 통해 가능성 여부를 검토하였고, 높은 이동도와 양자 진동이 보이는 물질을 선정하여 이론 계산 및 각분해 광전자 분광법을 이용한 전자구조 연구를 진행함. 전자구조 분석을 통해 물질의 위상 특성을 밝혀냄. 새롭게 발견된 위상 물질의 초전도 현상을 규명하기 위해 2 K 이하의 극저온 분석을 진행하였고, 특이한 표면 초전도 현상이 있음을 확인함.

 

[어려웠던 점] KZnBi 물질은 매우 낮은 일함수를 가지고 있어, 대기 중 수분과 산소와 반응하여 분해가 되어 비활성 기체 분위기를 유지하여 실험을 진행해야 하는 어려움이 있었음. 또한 고 분해능의 각분해 광전자 분광기와 극저온에서의 물성 측정 분석을 위한 기기가 필요하여, 타 기관의 선도 연구장비의 활용이 필요하였음.

 

[성과 차별점] 본 연구에서 밝혀낸 신규 삼차원 위상 디락 반금속 KZnBi는 기존 이론 연구를 통해 구축한 데이터 베이스에 속하지 않는 물질임. 또한 기존 발견된 삼차원 위상 디락 반금속의 초전도는 고압 또는 초전도체와의 인접효과에 의해 유도 된 것 이였음. 본 연구를 통해 밝혀낸 KZnBi의 표면 초전도성은 상압의 환경에서 처음으로 구현된 것임.

 

[향후 연구계획] 새로운 위상물질의 위상 특성 및 특이한 초전도 분석에 대한 연구와 신 물질 탐색을 진행할 예정.

 

연 구 추 가 설 명

 

 

그   림   설   명

 

 

[그림 1] 신규 삼차원 위상 디락 반금속 물질인 KZnBi의 결정구조 모식도 (아래)와 디락 입자 특성을 보이는 전자구조 (위)

 

[그림 2] 새롭게 합성한 KZnBi 단결정

 

 

[그림 3] KZnBi의 초전도 현상 (좌) 과 임계 자기장 측정을 통해 일반적인 초전도체 (s-wave)와는 다른 특이한 초전도 현상 확인 (우).

 

연구진 이력사항

 

<김성웅 나노구조물리 연구단 교수, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단  성균관대학교 에너지과학과 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

2003 - 2004 일본과학기술진흥기구 ERATO Project 연구원

2004 - 2008 동경공업대학 Frontier research center 연구원

2008 - 2009 동경공업대학 Material structural laboratory 조교수

2009 - 2012  동경공업대학 Frontier research center 부교수

2012 - 2016 성균관대학교 에너지과학과 부교수

2016 - 현재  성균관대학교 에너지과학과 교수

 

3. 전문 분야 정보 

 

2015  과학기술정보통신부 이달의 과학기술자상 수상

2020 2020년 SKKU Excellence in Research Award 수상

2021 에쓰-오일 차세대과학자상 수상

<송준성 나노구조물리 연구단 박사후연구원, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

2021 - 현재  기초과학연구원 나노구조물리 연구단, 박사후연구원

 

3. 전문 분야 정보 

 

2020년 제 26회 휴먼테크 논문대상 대상 수상

2020년  제 24회 성균가족상 우수상 수상

<이영희 나노구조물리 연구단 연구단장, 공동저자>

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단  성균관대학교 에너지과학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 1989 - 1990 미국 에임스 국립 연구소, 방문연구원

 1993 - 1993 스위스 취리히 IBM 연구소, 방문연구원

 1996 - 1997 미국 미시간 주립대학교, 객원연구원

 1987 - 2001 전북대학교 물리학과, 전임강사 - 교수

 2001 - 2020 성균관대학교 물리학과(학부), 교수

 2008 - 2020 성균관대학교 에너지과학과, 교수

 2012 - 현재 IBS 나노구조물리 연구단 단장

 2020 - 현재 성균관대학교 물리학과, 행단석좌교수

 

3. 전문 분야 정보 

 

 2005 한국물리학회 학술상 수상

 2005  교육인적자원부 국가석학 선정

 2006  과기부 되고 싶고 닮고 싶은 과학기술자 선정

 2009  대통령 표창

 2014  삼양사 수당재단 제23회 수당상 수상(기초과학부문) 

 2017  Einstein Award

 2018~2020  클래리베이트 애널리틱스 highly cited researcher 

 2019  경암문화재단 제15회 경암상 수상(자연과학부문)

 2020  한국물리학회 성봉물리학상 수상

<김용관 KAIST 물리학과 교수, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : KAIST 물리학과

 

 

 

 

 

 

 

<Binghai Yan Weizmann Institute of Science 교수, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : Weizmann Institute of Science

Condensed Matter Physics

 

 

<김성헌 KAIST 물리학과 박사후연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : KAIST 물리학과

 

 

 

 

 

 

 

<김영국 성균관대학교 물리학과 부교수, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 성균관대학교 물리학과