한국기초과학지원연구원(원장 신형식)은 소재분석연구부의 김해진 박사 연구팀이 국제공동연구팀과 공동연구를 통해 위상절연체인 비스무스-텔루라이드(Bi₂Te₃)를 나노구조에서 소재 내부와 표면 전자의 특성 변화를 다양한 연구장비와 이론적 계산으로 확인했다고 10일 밝혔다.

위상절연체는 전류가 표면에만 흐르고 내부에는 흐르지 않아 에너지 손실없이 전기전도가 가능해 양자컴퓨터 소재로 각광을 받는다. 하지만 그동안 위상절연체가 갖는 특성을 실험적으로 증명하지 못했던 게 사실이다.

연구팀은 위상절연체 연구의 난제로 여겨져 왔던 표면 디랙 전자의 위상절연체 내부 확산 등 전자와 소재의 상호작용을 밝혀냈다. 특히 '초고분해능 수차보정 투과전자현미경' 'NMR(핵자기공명분광기)' 등 분석장비와 이론적 계산을 융합해 확인했다는데 의미가 크다. 디랙전자는 금속의 표면상태에서 에너지를 거의 사용하지 않고도 전자전도도가 가능한 상태의 전자를 뜻한다.

연구진에 의하면 이번 성과를 응용해 향후 위상절연체 표면의 양자 상태를 이해하는 새로운 접근법을 도출하고 양자컴퓨터 실용화 등 미래 전자소자 연구에 응용될 수 있을 전망이다.

국제공동연구에는 기초지원연의 김해진 박사 연구팀(김연호 박사, 장재혁 박사, 이상철 박사), 스웨덴 스톡홀름 대학교의 J. Pell 교수 연구팀, 그리스 데모크리토스 연구소의 G. Papavassiliou 교수 연구팀, UAE 칼리파 대학의 Y. Alwahedi 교수 연구팀, 슬로베니아 요제프 스테판 연구소의 J. Dolinsek 교수가 참여했다.

김해진 박사는 "위상 절연체는 일반 물질과 달리 그 자체의 위상학적 성질에만 의존할 뿐 불순물이나 국소적인 외부요인에는 무관해 물질의 표면과 내부의 디랙 전자 상태를 측정하는 것은 소재가 가진 양자적 특성을 이해하는데 매우 중요하다"며 "이번 연구를 통해 기존에 단일 장비로는 해석할 수 없었던 연구영역을, 다양한 연구장비와 방법론을 융합하여 밝혀냄으로써 학문적 지평을 확장했다는 큰 의미가 있다"고 말했다. 

연구결과는 글로벌 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈'지 온라인판에 9일 게재됐다.