국내 연구진이 전자 구조를 제어할수 있는 신물질을 합성해 전력 손실을 줄일 수 있는 양자소자 개발 가능성을 열었다.

울산대학교는 2023학년도부터 새롭게 운영되는 반도체학과 김정대 교수 연구팀이 위상특성을 이용해 바일준금속(Weyl semimetal)의 전자구조를 제어할 수 있는 신물질을 합성해 전력 손실을 줄일 수 있는 양자소자 개발 가능성을 열었다고 13일 밝혔다.

이 연구는 부산대학교 물리학과 이재광 교수 연구팀·서울시립대학교 물리학과 및 스마트시티학과 장영준 교수 연구팀, 울산과학대학교 황영훈 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

독일의 물리학자 헤르만 바일이 제안한 바일준금속은 독특한 위상성질을 가지고 있어 해당 금속에 전압을 걸어주면 전자가 이동하는 통로가 형성돼 이 통로에서는 저항을 받지 않고 전류가 흐를 수 있다. 이러한 특성은 향후 에너지 손실을 최소화하는 양자소자를 개발하는 데 활용될 수 있다.

연구팀은 제1원리계산 기법을 통해 바일준금속의 응용성을 높일 수 있는 전자구조 제어 가능성을 예측했다. 이에 대한 실험적 검증을 위해 바일준금속 물질인 니켈칼코겐화합물(NiTe2)에 셀레늄(Se)을 치환해 니켈칼코겐화합물합금(NiTe2-xSex)이라는 신물질 합성에 성공했다.

주사터널링현미경과 각도분해능광전자분광법 분석기법으로 직접 합성한 니켈칼코겐화합물합금에서 셀레늄 원소의 양에 비례해 전자구조 제어가 가능하다는 것을 보임으로써 반도체에서 도핑과 같은 효과가 발생함을 확인했다.

연구팀은 “이번 연구로 개발한 바일준금속 신물질을 통해 전자구조를 목적에 맞게 조절할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라며 “연구 결과는 전력 손실이 없는 양자전자소자 분야에 응용될 수 있다”고 기대했다.

연구 결과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 'ACS 나노'에 게재됐다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구자지원사업, 중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, 해외대형연구시설활용연구지원사업, 학운후속세대지원사업 및 산업통상자원부의 지원을 통해 수행됐다.