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

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

기사승인 2021. 10. 21. 12:02
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나노과학기술 분야 세계 최고 권위지 '나노 레터스'에 게재
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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.
김현정 서강대 교수
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.
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