성균관대(총장 정규상) 에너지과학과 이영희 교수(IBS 나노구조물리연구단장) 연구팀은 최근 트랜지스터로서, 층상 구조 물질인 이황화몰리브덴 (MoS2)에서 나타나는 도체-부도체 상전이(MIT) 현상을 측정하고, 양자 상전이 현상으로 설명이 가능하다는 것과 두께에 따라 상전이 특성이 바뀜을 발견했다.

오래 전부터 이론적으로 2차원 이하의 시스템에서는 부도체에서 도체로의 양자 상전이가 불가능하다고 예측되고 믿어져 왔다. 그러나 실리콘에서의 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상이 실험적으로 1994년 발견된 이후 수많은 연구가 진행되어 왔는데, 전자사이의 상호작용이 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이의 요인이라는 것이 보통 통상적인 모형으로 받아들여지고 있다. 하지만 아직까지 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상은 물리학에서 가장 풀기 어려운 난제중 하나로 남아있었다.

도체-부도체 상전이를 양자 상전이로 보는 경우, 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이가 전자의 상호작용에 기인한 것이라는 데에 대체적으로 동의한다. 그러나 한계차원인 2차원에서 불순물과 상호작용의 상관관계를 명확하게 이해하는 것은 미묘하여 쉽게 이해할 수 없었다. 특히 두 효과가 비슷하게 중요한 경우는 이론적 접근이 어려울 뿐만 아니라, 실험적으로도 가용 시스템의 한계 때문에 풀 수 없는 난제에 가까웠다.

이영희 교수 연구팀은 이차원 반도체 물질은 불순물이 많은 반면, 큰 유효질량과 작은 유전율 때문에 전자간 상호작용이 크고 또 두께에 따라 두 조건이 바뀔 수 있다는 점에 착안해, 여러 두께의 이황화몰리브덴으로 불순물과 상호작용의 상관관계 및 새로운 물리 현상을 발견할 수 있을 것이란 기대감으로 실험을 수행했다. 그 결과, 이 물질 시스템에서의 도체-부도체 상전이가 양자 상전이로 잘 설명되는 것을 확인하였으며, 다층에서처럼 전자간 상호작용이 충분히 큰 경우 불순물의 영향을 최소한으로 차폐시켜 마치 불순물이 없는 경우의 상전이처럼 작용할 수 있다는 것을 확인했다. 반대로 단층에서는 불순물에 의해 상전이가 유도되며 따라서 다층에서 상호작용의 비대칭성에 의해서 생겨나는 비대칭적 임계지수 (critical exponent)가 단층에서는 대칭적으로 바뀌는 현상을 확인했다.

이번 연구결과는 세계 최고 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature communications, IF 12.124) 온라인 판에 영국시간으로 5월 24일에 오전 10시에 게재됐다.

장세풍 기자 spjang@naeil.com

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