에너지시스템학과

1차원 금속 물질의 광전자가 방출되는 과정에서 나타나는 스핀-전하 분리 모식도(왼쪽). 서로 다른 속도로 전달되는 스핀 움직임(Spinon)과 양전하 움직임(Holon)의 에너지-운동량 분포 모식도(오른쪽) 

아주대 연구진이 그동안 이론적으로는 예측되어왔으나 실제 직접 관찰은 어려웠던 금속 물질에서의 스핀-전하 분리를 처음으로 직접 관찰하는 데 성공했다. 이에 향후 후속 연구를 통해 초전도 현상 규명의 실마리를 얻고, 새로운 양자 정보 소재로도 활용될 수 있을 전망이다. 

물리학과 김성헌 교수와 한국과학기술원(KAIST) 현정훈 박사·김용관 교수 공동 연구팀은 1차원 사슬구조 물질 내에서 도체-부도체 전이에 걸쳐 스핀-전하 분리 현상을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다. 

이번 연구 내용은 ‘준1차원 NbSe3의 전하밀도파 전이에 걸친 밴드 선택적 스핀-전하 분리(Band-selective spin-charge separation across the charge density wave transition in quasi-1D NbSe3)’라는 제목의 논문으로, 미국물리학회가 발간하는 물리학 분야의 저명 학술지 <피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)> 최근호에 편집자 추천 논문(Editors’ Suggestion)으로 게재됐다.

전자(Electron, 電子)는 물질의 원자를 구성하며, 음전하를 띄는 기본 입자다. 전자는 전하(charge)와 스핀(spin)이라는 두 대표적 성질을 보인다. 전하는 전기적인 힘을 느낄 수 있게 하는 기본 성질로, 전기가 흐르게 하는 요소다. 스핀은 전자가 스스로 회전하는 것과 같은 양자역학적 성질로, 자석과 같은 자기적 성질을 결정하는 요소다. 

전자 사이의 상호작용이 강한 1차원 금속 물질에서는 보통 물질 내의 전자가 페르미 액체 모형을 따르는 것과 다르게, 러틴저 액체 모형을 통해 전자의 움직임을 설명할 수 있을 것으로 예측되어 왔다. 그리고 러틴저 액체 모형에서는 전자가 갖는 대표적인 두 성질인 전하와 스핀에 대한 정보가 독립적으로 거동하는 것과 같은 ‘스핀-전하 분리 현상’이 예측된 바 있다. 

이러한 현상은 초전도 현상이 발현되기 전에 나타나는 비(非)페르미 액체 상태를 규명하기 위한 단서를 제공할 뿐 아니라, 스핀과 전하라는 서로 다른 정보를 전달하는 양자 정보 소재로의 응용 가능성이 있어 주목을 받고 있다.

초전도 현상이란 전기 저항이 0이 되는 현상으로, 영하 240˚C 이하의 아주 낮은 온도 등 특정 조건 하에서 나타난다. 초전도체를 이용하면 전력 손실 없이 에너지를 사용할 수 있어, 초전도 현상과 초전도체는 최근 학계와 산업계의 주목을 받아왔다.  

양자 정보 소재란 양자 컴퓨터·통신·센서 등에 활용되는 소재다. 차세대 양자 기술은 양자역학 원리를 기반으로 한 새로운 유형의 기술로, 보다 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있어 다양한 산업 분야에서 효율성과 생산성을 대폭 증대시킬 수 있다. 

이처럼 여러 첨단 분야에 새로운 이해를 제공할 수 있는 것이 바로 ‘스핀-전하 분리 현상’이다. 그러나 이론적인 예측을 통해 전자 거동에 대한 해법이 제시된 것과는 다르게, 실제 물질에서 이 현상을 직접 관측한 사례는 매우 드물다. 스핀-전하 분리 현상은 전자 사이의 강한 상호작용에 의해 나타나는 것으로 예측되어왔으나, 이 ‘강한 상호작용’이 동시에 스핀 정보 움직임의 관측을 방해하기 때문에 그동안 실험적 증거를 찾는 것이 어려웠다. 특히 이상적인 1차원 전자계를 구현하는 것이 어렵고, 나아가 전자 사이의 상호작용 정도를 직접 제어하는 데에도 한계가 있어 지금까지 이에 대한 실험적 증거는 매우 제한적으로 포착되어왔다. 

아주대 공동 연구팀은 이러한 어려움을 해결하기 위해 적절한 전자 사이의 상호작용이 존재할 수 있는 소재 물질 후보군을 탐색했다. 연구팀은 세 종류의 1차원 원자사슬로 구성된 니오븀(Nb)-셀레늄(Se) 화합물로 NbSe3 시료를 합성하고 각분해 광전자분광법을 이용한 띠구조 분석을 통해 스핀의 정보와 전하의 정보가 서로 다른 속도로 전달되는 것을 직접 관측하는 데 성공했다. 각분해 광전자분광법은 밝은 빛을 조사했을 때 튀어나오는 광전자의 운동 에너지와 운동량을 분석하는 방법으로 물질 내에서 일어나는 양자 현상을 관측할 수 있는 실험 방법이다.

연구팀은 방사광 가속기에서 마이크로미터(μm, 1μm=0.001mm) 크기로 집광된 강한 자외선을 조사했을 때 방출된 광전자를 분석했다. 이를 통해 화합물 내의 광전자가 튀어나온 자리에 형성된 양전하의 움직임(홀론, Holon)과 각 전자들의 스핀 뒤집힘에 따른 스핀 움직임(스피논, Spinon)이 명확하게 분리되어 거동하는 것을 포착했다. 

나아가 1차원 물질에서 자주 나타나는 또 다른 양자 현상인 전하밀도파 발현에 따른 도체-부도체 전이가 일어나는 과정에서도, 스핀과 전자가 분리되어 움직이는 것을 관측하는 데 성공했다. 스핀-전하 분리와 전하밀도파 모두 초전도 특성이 발현되기 이전에 나타날 수 있는 1차원 전자계의 특징적인 양자 현상으로 이들 간의 상호 연관성에 대한 추가적인 연구는 앞으로 초전도 현상의 발현 원리 규명에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

아주대 김성헌 교수(물리학과)는 “1차원 물질의 독특한 환경에서 전하와 스핀에 대한 정보가 독립적으로 전달되는 집단적 거동을 직접 관측한 성과”라며 “앞으로 추가적으로 결정구조나 상호작용 세기의 제어를 통해 초전도 발현 원리 규명의 단서를 찾을 수 있을 것”이라고 전했다.

김 교수는 이어 “기초 물리학의 난제 해결에 더해, 전하와 스핀이라는 독립된 자유도를 이용한 새로운 양자 정보 소재 개발로도 응용범위를 넓힐 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 대학기초연구소(G-LAMP) 사업, 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 수행됐다.

온도에 따른 니오븀(Nb)-셀레늄(Se) 화합물(NbSe3) 광전자의 에너지-운동량 분포 실험 결과. 

점선은 각각 스핀 움직임(빨간색)과 양전하의 움직임(검정색)의 스펙트럼을 나타낸다. 

온도가 상승함에 전하밀도파 갭이 닫히지만 스핀-전하 분리 현상이 유지되는 것을 관측할 수 있다.