스크류같은 1차원 나노선서 펌핑 현상 첫 규명…"고장없는 전자소자 가능할까"
아르키메데스 펌프처럼 꼬여있는 1차원 나선형 나노선이 전자를 정해진 양만큼 한 방향으로 옮기는 양자 펌프 기능이 있다는 사실이 이론적으로 밝혀졌다. 이를 통해 향후 전하나 궤도, 스핀 제어가 이루어지면 고장나지 않는 전자소자나 오류가 줄어든 양자컴퓨터 구현도 가능해질 전망이다. UNIST는 박노정 물리학과 교수 연구팀이 빙하이 얀 미국 펜실베이니아주립대학교 교수 연구팀과 아르키메데스 펌프처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 위상 전하 펌프처럼 작동할 수 있다는 사실과 이 전하 이동 과정에서 궤도각운동량과 스핀 분극이 함께 나타난다는 사실을 이론적으로 처음 규명했다고 4일 밝혔다. 아르키메데스 펌프는 그리스 수학자 아르키메데스가 고안한 것으로 알려진 장치다. 통 안에 스크류를 천천히 돌리면 아래쪽 물이 나선 사이에 갇혀 위쪽으로 조금씩 올라가기 때문에, 회전 운동만으로 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올릴 수 있다. 연구팀은 스크류처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 양자역학 세계에서도 비슷한 역할을 할 수 있음을 밝혀냈다. 전하를 한 방향으로 옮기고, 한 번의 회전 주기마다 이동하는 전하량이 정해진 값으로 고정되는 '위상 전하 펌프'로 작동할 수 있다는 것. 위상 전하 펌프는 외부 조건을 한 주기씩 천천히 바꿀 때 전하가 일정한 방향으로 이동하는 양자 현상이다. 지난 2016년 노벨 물리학상을 받은 데이비드 사울리스의 이름을 따 '사울리스 양자 펌프'라고도 불린다. 연구팀은 그러나 "이를 단순한 1차원 나노선에서 관찰하기는 그동안 쉽지 않았다"며 "연구팀이 이를 실제 관찰하고 처음 과학적으로 규명한 것"이라고 말했다. 연구팀은 나선형 탄화수소 C₁₂H₁₂ 사슬과 삼방정계 셀레늄(Se) 나노선 전자 구조를 계산했다. C₁₂H₁₂ 사슬은 나선형 구조 자체가 전하 펌핑에 미치는 영향을 보기 위한 모델로 사용했다. 셀레늄 나노선은 스핀-궤도 결합을 포함해 궤도각운동량이 스핀 분극으로 이어지는 과정을 분석하는 데 활용했다. 연구팀은 다중 궤도 타이트바인딩 모델과 제일원리 계산을 이용해 나선형 물질의 전자 띠 구조와 궤도·스핀 성질을 분석했다. 이어 나노선에 수직한 방향으로 원편광 전기장을 가한 상황을 계산했다. 연구결과에 따르면 이 전기장은 나선형 물질의 대칭을 깨뜨려 전자 띠가 만나는 지점에 에너지 간격을 만들고, 이 간격 안에서 전하가 한 주기마다 양자화된 양만큼 이동하는 위상 전하 펌핑이 나타났다. 기존 대표적인 위상 전하 펌프가 두 가지 조건이 맞물려 작동하는 것과 달리, 이 나선형 물질에서는 전기장 방향이 한 바퀴 도는 하나의 조건만으로도 전하 펌핑이 가능했다. 이유는 나선형 구조 자체가 전자의 양자 상태를 감기게 하는 역할을 하기 때문이라고 연구팀은 설명했다. 연구팀은 또 전하가 펌핑되는 과정에서는 궤도각 운동량과 스핀 분극도 함께 나타났다고 부연설명했다. 전자가 나선형 구조를 따라 이동하면서 궤도각운동량이 생겼고, 셀레늄 나노선에서는 이 중 일부가스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 바뀌었다는 것. 연구팀은 하이젠베르크 운동 방정식 분석을 통해 이 궤도-스핀 전환 메커니즘을 추가로 확인했다고 덧붙였다. 연구팀은 또 수직 전기장 세기에 따라 나노선의 전자 상태가 평범한 상태에서 위상학적 상태로 바뀐다는 사실도 확인했다. 운동량과 회전 전기장 위상이 이루는 합성 공간에서 천 수가 변화하는 것도 확인했다. 이는 전하 펌핑이 위상학적 성질에서 비롯된다는 점을 뒷받침한다. 천 수(Chern Number)는 물질의 위상학적 상태를 정수로 나타내는 값이다. 사울리스 양자 펌프에서는 전하가 한 주기 동안 얼마나 양자화되어 이동하는지를 설명하는 지표로 쓰인다. 박노정 교수는 "손대칭성(왼속과 오른손 같은 대칭구조) 나노선에서 위상학적 전하 펌핑, 궤도 각운동량, 스핀 분극화가 하나의 통합된 메커니즘으로 연결됨을 처음으로 보인 것"이라며, "향후 나노 소자에서 전자, 궤도, 스핀 특성을 위상학적으로 제어하는 새로운 방법론의 토대가 될 것"이라고 밝혔다. 연구는 에스마일 타기자데 시사크트 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 나노레터스에 5월 13일 자로 게재됐다.
