유사한 Mott 부도체–도체 전이 양자 물질군 적용 가능성 시사
포항가속기연구소는 천세환 박사 연구팀이 스마트 소재 이산화바나듐(VO2) 박막에서 기존의 상식을 뒤집는 숨겨진 광유도 초고속 상전이 경로가 존재함을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.
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| ▲ 포항가속기연구소 천세환 박사. [포항가속기연구소 제공] |
이번 연구 성과는 물질 과학 분야의 국제적 권위를 지닌 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.
스마트 소재는 외부 환경 변화에 스스로 반응해 물리적 성질을 유용하게 변화시키는 적응형 소재로 의료·생명과학, 전자기기 및 에너지 저장 기술, 건축·환경 분야 등 다양한 산업에 활용될 수 있어 미래 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다.
이산화바나듐(VO2)은 상온 근처 부도체에서 도체로 전기적 상전이를 보이는 스마트 소재로서 현재 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 전기적 상전이가 결정 구조 상전이와 같은 온도에서 발생해 그 물리적인 기작이 순수한 전자적 요인인지, 혹은 결정 구조 변화에 따른 것인지를 둘러싸고 수십 년간 논란이 이어져 왔다.
연구팀은 포항가속기연구소의 X-선 자유전자레이저(PAL-XFEL)와 3세대 방사광가속기(PLS-II)의 최첨단 실험 장치를 이용하여 빛으로 유도되는 구조적·전기적 상전이 현상을 정밀하게 연구했다.
특히 인장 변형이 가해진 이산화바나듐 박막에서 두 상전이가 수백 펨토초의 서로 다른 시간 간격을 두고 발생함을 밝혀냈다.
연구팀은 또한 전자들의 거동만으로 물질의 전기적 성질이 전기가 통하지 않는 상태에서 전기가 흐르는 상태로 갑자기 바뀌는 양자 현상(양자역학적 Mott 부도체–도체 전이)임을 밝혀냈다.
특히 시료에 인장 변형을 가함으로써 빛에 의해 유도되는 이러한 전기적 변화가 시작되는 시점을 조절할 수 있는 가능성도 함께 제시했다.
이번 연구 결과는 이산화바나듐뿐 아니라 유사한 Mott 부도체–도체 전이 양자 물질군에도 적용될 수 있음을 시사한다. 이러한 물질들을 기반으로 빛을 이용한 초고속 광유도 스마트 소재 제어 기술로의 활용이 기대된다.
포항가속기연구소 천세환 박사는 "포항가속기연구소의 첨단 실험 장치들을 유기적으로 연계해 활용할 수 있었기에 가능한 연구였다"며 "우리나라 연구진이 강점을 지닌 반도체 및 스마트 소재 기술과 최첨단 실험·측정 기술을 결합할 경우 시너지 효과를 통해 세계를 선도하는 연구가 가능함을 보여준 성과"라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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