경북대, 코발트이황화물서 '이상 홀 전도도' 최대치 발견

조연정 교수 *재판매 및 DB 금지

[대구=뉴시스] 박준 기자 = 경북대학교 물리학과 조연정 교수팀은 반도체 화합물인 코발트이황화물(CoS2)에서 역대 가장 큰 값의 내재적(intrinsic) 이상 홀 전도도(anomalous Hall conductivity)를 실험적으로 발견했다고 30일 밝혔다.

숭실대 박세영 교수, 아주대 임준원 교수, 서울대 김창영 교수와 공동으로 진행한 이번 연구는 독특한 위상 전자구조를 갖는 물질이 기존 자기 전도 현상의 강도를 더욱 강력하게 만드는 것을 확인하면서 자성 소재 및 스핀 정보소자 분야에서 위상학적 특성을 응용할 수 있는 가능성을 제시했다.

홀 효과는 전류가 흐를 때 물질 내의 전자가 일정한 방향으로 이동하는 동안 발생하는 현상으로 이를 통해 물질 내 전하 운반자 종류와 밀도 등 기본 정보를 파악할 수 있다.

현재 다양한 홀 효과들이 발견되고 있으며 최근에는 이상 홀 효과가 양자물리 분야에서 주목받고 있다.

이상 홀 효과는 외부 자기장 없이도 자석성을 가진 물질에서 수직 방향으로 전위차가 발생하는 현상이며 이로 인해 나타나는 높은 전도도를 이상 홀 전도도라고 한다.

위상학적 밴드 구조에서 비롯된 내재적 이상 홀 효과는 2개의 서로 다른 대칭성을 갖는 전자 밴드가 교차하면서 만들어지는 밴드 교차점(band crossing point)과 그 근처에서 강하게 발현되는 베리 곡률(Berry curvature)*에 의해 유도된다.

관련 연구는 차세대 전자 소자 개발에 중요한 기초가 되며 신소재 개발에도 많은 응용 가능성을 열어주고 있다.

공동연구팀은 철(Fe)을 5% 도핑한 코발트이황화물(CoS2)에서 역대 최대의 이상 홀 전도도인 2505 Ωcm-1를 기록했다. 이론적으로 하나의 베리 곡률에 의한 내재적 이상 홀 전도도는 최대 699 Ωcm-1에 이를 것으로 예상된다.

이는 화학적 도핑으로 코발트(Co) 대신 소량의 철(Fe) 원자를 포함시켜 페르미 레벨을 낮춘 결과다. 공동연구팀은 X선 회절(XRD)과 각분해능 광전자 분광법(ARPES)을 사용해 페르미 레벨의 변화를 확인했다.

공동연구팀은 밴드 구조 계산을 통해 코발트이황화물(CoS2)의 페르미 레벨보다 60meV 낮은 에너지에서 베리 곡률의 근원이 되는 위상학적 밴드 교차점이 있음을 예측하고 화학적 도핑으로 페르미 레벨을 조절해 최대 이상 홀 전도도에 도달할 수 있었다.

코발트이황화물(CoS2)의 밴드 구조에서는 대칭성에 의해 4개의 동등한 베리 곡률 원천이 존재하며 이 때문에 이상 홀 전도도가 4배 가까이 증가해 역대 최대의 내재적 이상 홀 전도도를 갖게 되는 것을 확인했다.

조연정 교수는 "이상 홀 효과를 이용해 고효율, 저전력 장치를 개발하는 연구가 진행되고 있고, 이는 전자기기를 더 작고 성능 좋게 만들기 위한 기술적 돌파구를 마련하는데 기여하고 있다"며 "이번 연구는 단일 물질에서 독특한 위상 전자구조로 인해 이상 홀 전도도가 기존 강자성체 대비 최대인 물질을 발견했다는 점에서 의의가 있다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 지난 3월 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 발표됐다.

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