[톡톡뉴스]목포대학교(총장 박민서)는 영국 맨체스터대학교 물리학과 연구팀(Andre Geim 교수, Konstantin Novoselov 교수,
Vladimir Fal’ko 교수, Artem Mishchenko 박사)이 주도하고 목포대학교 물리학과 손석균 교수가 공동저자로 참여한 연구가 2차원 상에서만 존재할 것으로 예측된 양자 홀 효과(Quantum Hall effect)를 그라파이트(graphite crystal) 내(3차원)에서 최초로 관측하여 물리(Physics) 분야의 권위 있는 학술지 ‘Nature Physics’의 2019년도 15권(5.23.) 표지 논문으로 선정되었다고 밝혔다.

꿈의 신소재로 불리는 그래핀(2차원)은 높은 전도도와 열전도율, 신축성과 투명성을 가지고 있어서 차세대 반도체 소자 및 응용 소자로 개발하기 위한 다양한 시도가 이루어 졌지만 상대적으로 이해하기 힘든 그라파이트(3차원)는 물리적으로 많은 연구가 이루어지지 못한 영역이었다.

양자 홀 효과(Quantum Hall effect)는 홀 전도도가 특정한 값을 갖는 형태로 양자화 되는 2차원 전자 시스템(Two-dimensional electron gas system)에서만 나타나는 물리적 현상이다. 3차원상에서의 란다우 준위(Landau levels)는 중첩 대역으로 인해 양자화 현상이 파괴되기 때문에 금지되어지는 것으로 알려져 있었으며 실험적으로 보고된 바가 없었다.

본 연구팀은 준 금속성으로 알려진 수백 층의 원자 두께로 이루어진 그라파이트(graphite crystal) 소자를 활용해 전자 운동의 움직임이 제한된, 2차원 물질에서만 가능한 양자 홀 효과(Quantum Hall effect)를 극저온에서의 전자 수송현상을 통해 3차원 상에서도 관측하는 데 성공하였다.

또한 그라파이트 결정의 층수가 홀 수(odd number)일 때의 Quantum Hall effect gap이 상응하는 짝 수층(even number)과 다름을 실험적으로 규명하였다.

Andre Geim 교수(2010년 노벨 물리학상 수상자)는 “지난 수십 년간 그라파이트는 많은 가능성을 가졌지만, 물리적으로 많이 규명되지 못한 철학자의 소재로만 여겨졌지만, 우리 연구를 통해 그라파이트가 가장 순수한 형태일 때 물리적으로 관측 가능한 것이 무엇이 있는지를 보여준 의미 있는 사례”라고 설명하였다.

본 연구에서 소자 제작을 담당한 손석균 교수는 “지난 수년간 맨체스터 대학교 연구팀의 지속적인 그래핀(2차원) 연구 결과 덕분에 그라파이트(3차원)에서 전혀 예상하지 못했던 양자홀 효과(Quantum Hall effect)를 발견” 했음을 강조하였으며 “그동안 많이 이해되지 못했던 그라파이트의 기본 특성을 이해하는 초석” 이 되었음을 설명하였다.

이 연구는 EU Graphene Flagship Program, European Research Council, Royal Society 및 Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC/EP/N007131/1) 사업의 지원으로 수행되었다.         김미자 기자의 다른 기사 보기