[캠퍼스 人+스토리] 김현정 서강대 교수 연구팀, ‘위상 절연체의 상전이 현상’ 최초 측정

나노과학기술 분야 세계 최고 권위지 '나노 레터스'에 게재

서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 교수 연구팀이 열을 전기로 바꾸는 대표적인 열전물질이자 3차원 위상 절연체로 알려진 ‘비스무트 셀레나이드(Bi2Se3)’에서 들뜬 전자에 의한 결정 격자의 움직임을 펨토초(1000조분의 1초) 단위로 측정하는 데 성공했다.

21일 서강대에 따르면 ‘물질을 이루는 전자가 빛을 받아 들뜨게 되면 결정을 이루는 원자는 어떤 영향을 받을까’ ‘물질 내부에서 결정을 이루고 있는 움직임을 매우 빠르게 측정할 수 있을까’를 고민하던 김현정 물리학과 교수<사진> 연구팀은 전하 운반체인 들뜬 전자의 농도에 따른 ‘위상 절연체의 상전이 현상’을 최초로 예측했다.

연구팀은 펨토초 레이저를 이용해 물질의 전자를 들뜨게 하고 4세대 X-선 자유전자레이저인 PAL-XFEL을 이용해, 결정 격자의 움직임을 펨토초 단위의 시간 분해능과 10피코미터(pm·1000억 분의 1m)실의 움직임을 실시간으로 관찰했다. 최초 수 피코초 내에 결정 격자는 수축하고 층간 팽창한 후 격자 진동을 보여 주는데, 이로부터 빛에 의한 유도 상전이 현상을 예측할 수 있었다.

김현성 서강대학교 물리학과 교수/제공=서강대

본 연구는 포항가속기연구소의 PAL-XFEL 연구팀을 비롯해 정현식 서강대 물리학과 교수, 심은지 연세대 교수, 미국 Argonne 국립연구소의 연구팀, 미국 MIT와 국제공동연구로 이뤄졌으며, 한국연구재단의 선도연구센터(SRC)와 가속기 핵심 개발 연구 사업 및 과학기술정보통신부 리더 연구 지원 사업의 일환으로 수행됐다.

연구성과는 지난 8일 나노과학기술 분야 세계 최고 권위지 중 하나인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 온라인으로 게재됐다.

김 교수는 “이 연구는 X-선 자유전자레이저의 매우 짧은 펄스를 이용해 물질의 움직임을 직접적으로 관찰했다는 것에 의의가 있고, 연구 결과는 상전이 현상에 대한 이론 연구와 향후 차세대 방사광가속기와 X-선 자유전자레이저 시설의 이용 연구로 각광받을 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.