위상 기하학적 절연체 안에서 전자의 거동 연구

위상 기하학적 절연체는 전기 손실없이 정보를 전달할 수 있는 유망한 물질로 각광받고 있다. 이제 독일 헬름홀쯔 베를린 재료에너지센터(HZB)의 연구진은 처음으로 위상 절연체 안의 전자 움직임 방향이 그들의 거동에 영향을 미치는지를 연구하였다. 이들의 연구에서, 연구진은 특정한 방향으로 전자가 이동할 때 더 많이 산란되고 전도가 되지 않는다는 것을 확인하였다. 이들의 연구 결과를 설명하기 위해서, 이들 연구진은 전자의 스핀을 모델에 포함시켰다. 이들의 연구는 위상 기하학적 절연체 연구의 진보를 가속시킬 것이다.

이들 연구진의 위상 기하학적 절연체의 비틀림에 대한 연구 결과는 "Anisotropic effect of warping on the lifetime broadening of topological surface states in angle-resolved photoemission from Bi2Te3"이라는 제목으로 Physical Review B 저널에 발표되었다. 위상 기하학적 절연체의 표면은 원칙적으로 손실없이 전류를 전도할 수 있다. 즉 전자들은 움직일 때 충돌을 피할 수 있는 것이다. 그럼에도 불구하고 전세계의 이 분야 전문가들은 왜 이런 충돌 회피가 실험에서 명백하게 나타나지 않는지에 대한 의문을 가지고 있다. 이제 HZB 연구진은 전자들의 에너지 분포에 대한 실험적 데이터가 전자의 스핀을 고려하였을 때 더 잘 설명된다는 것을 시뮬레이션을 통하여 보여줄 수 있게 되었다.

이를 위해서 이들 연구진은 이른바 전도 전자에서 에너지 분포를 기술하는 페르미 표면의 이른바 비틀림(warping)을 조사하였다. 이것은 과학 공상 프로인 스타 트렉에서 보여주는 비틀림과는 그렇게 큰 연관 관계가 없다. 스타 트렉에서는 시공간의 비틀림이지만, 이 연구에서는 위상학적 절연체에서 전자들의 에너지와 운동량 사이의 관계에 관한 문제이기 때문이다. 그러나 시공간에서 광원뿔을 다루는 것과 같이, 디랙 원뿔에서 위상기하학적 절연체 안의 전자들이 거의 빛과 같이 행동한다는 점에서 일부 유사성이 있다.

디랙 원뿔에서, 전자들은 축구공처럼 모든 방향으로 동일한 속도로 움직인다. 그러나 비스무스 텔루라이드 물질 안에서는 전자 속도가 방향에 크게 의존한다고 알려져 있다. 이들 연구진은 이제 이런 의존이 예상과는 다르다는 것을 발견하였다. 이것은 디랙 원뿔이 안쪽으로 휘어 있지 않고 바깥쪽으로 휘어 있다는 것을 의미하며, 비록 위상 기하학적 절연체의 표면에서 전자들이 방해되는 것들과 어떤 충돌을 일으키지 않음에도 불구하고, 이런 충돌이 실험에서 나타나는 것이다.

이들 연구진은 비스무스 텔루라이드의 휘어진 디랙 원뿔에서 이런 넓혀짐 역시 방향에 의존한다는 것을 발견하였다. 먼저, 이런 의존은 손실 없는 수송의 한계가 이해될 수 있기 위해서 설명되어야만 한다. 그러나 이것은 훨씬 더 신중함을 요구한다. 가장 간단한 설명은 이른바 둥지(nesting)이다. 휘어진 디랙 원뿔의 둥지는 만약에 그것의 윤곽이 반대쪽 상에서 서로 평행한 많은 부분으로 이루어져 있다면 클 것이다. 이것은 정사각형 및 육각형의 경우에는 둥지가 최대가 되며, 원형의 경우는 거의 아니고 삼각형의 경우는 전혀 아니다.

이들 연구진은 그들의 결과를 둥지와 맞출 수 없었다. 따라서 그들은 지금까지 무시된 요소를 찾았으며 전자의 스핀을 고려하였다. 이들 연구진은 시뮬레이션을 수행하고 이런 스핀을 고려하여 그들의 실험 결과를 마침내 재생시킬 수 있었다. 충돌에 의한 손실은 또한 방향에 의존하는 전자들의 수명과도 연관된다. 이런 동역학적인 효과는 극도로 짧은 시간 스케일에서 발생하며 시간 분해로 조사될 수 있다. 이런 연구는 차세대 BESSY-VSR 광소스로 가능해질 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 위상 기하학적 절연체 안에서 전자의 거동 연구