[김범준 교수] 전이금속 칼코겐화합물에서의 나선 전하 밀도파의 형성 원리

- 고체분광학 김범준 교수 연구실 - 

전이금속 칼코겐화합물에서의 나선 전하 밀도파의 형성 원리

Origin of the chiral charge density wave in transition-metal dichalcogenide 

전이금속 칼코겐화합물의 결정 구조와 전하 밀도파. 전이금속 칼코겐화합물 1T-TiSe2의 전하 밀도파와 결정 구조 변화, 각각이 가진 대칭성이 그려져 있다. 연구진은 이번 연구를 통해 결정 구조(오른쪽 붉은색)가 갖는 대칭성과 전하 밀도파(왼쪽 푸른색)이 보이는 대칭성이 일치하지 않기에, 추가적인 원자들의 이동이 유도되고 결과적으로 모든 대칭성이 깨어진 나선성 구조(아래 보라색)가 발현됨을 밝혀내었다. 

POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김범준 교수·통합과정 김광래·김현우·하승혁 씨 연구팀과 김기석 교수, 복진모 연구원은 전이금속 칼코겐화합물에서 나선성 전하밀도파를 발견하고 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 

시계와 거울에 비친 시계는 서로 반대 방향으로 움직이는 것처럼, 물체가 자신의 거울상과 구별될 수 있을 때 물체는 나선성을 지닌다고 일컬어진다. 나선성은 아원자 입자부터 생명체까지 자연계 전반에 걸쳐 나타난다. 일례로, 흔히 볼 수 있는 석영 결정이 시계 혹은 반시계 방향의 나선성 구조를 가지며, 나선성의 방향이 변하는 것은 높은 온도에서 석영이 액체에서 고체로 굳어질 때에만 가능하다. 그렇다면 나선성은 어떻게 결정되는 것이고, 아원자 입자와 같은 미시적 물체는 어떻게 나선성을 지니게 될까. 나선성 형성의 메커니즘에 대한 연구는 현 물리학계의 큰 화두 중 하나이다.

연구진은 빛의 비탄성 산란 실험을 통해 전이금속 칼코겐화합물 1T-TiSe2에 존재하는 나선성의 직접적 증거를 발견했고, 나선성 발현이 결정 구조와 전하 분포 사이의 대칭성 불일치에 기인함을 밝혔다. 이는 반세기 전인 1976년 1T-TiSe2 결정의 구조가 보고된 이래 나선성 구조를 처음으로 관측해낸 성과이다.

이 실험에서 연구진은 결정을 이루는 원자들의 진동에 주목했다. 전자들이 재분포되며 전하 밀도파가 발생할 때 원자는 새로운 위치로 재정렬하며 결정 구조의 변화를 꾀한다. 원자의 움직임은 특정 형태의 진동이 굳어 고정되는 현상으로 이해할 수 있기 때문에, 연구진은 다양한 원자 진동 현상을 관측함으로써 미세한 구조 변화를 포착해낼 수 있었다.

또한 연구진은 기존에 알려진 원자 진동을 지배하는 대칭성과 전하 밀도의 대칭성이 근본적으로 다르다는 사실을 지적했다. 이는 곧 결정 구조가 전하 밀도의 변화를 정확히 따르지 않는다는 모순을 시사한다. 대칭성 불일치를 해소하는 방법은 추가적인 원자 진동을 통해 구조 변화를 유발하는 것뿐이며, 이러한 피드백이 구조와 전하 밀도의 대칭성이 일치할 때까지 계속되어, 궁극적으로 거울 반사를 포함한 모든 대칭성이 제거된 나선성 구조가 형성된다.

연구진은 자체 개발 라만 분광 장비를 활용해 나선성 구조 발현을 관측했고, 미국 아르곤 연구소의 연구팀과 협업해 비탄성 X-선 산란 장비를 통해 대칭성 불일치 해소를 위해 유도된 원자 진동을 특정함으로써 위 이론을 검증했다.

고체 물질에서 나선성은 원형 광발전 효과, 비가역적 전자 수송 등 독특한 물리적 특성을 매개한다. 따라서 나선성의 발현 및 제어는 향후 차세대 스핀 소자 혹은 에너지 저장 기술 등의 분야에 활용될 수 있어 기술적으로 중요한 의미를 가진다. 이에 교신저자인 김범준 부연구단장은 “고체 물질 속 나선성 발현 메커니즘을 이해하는 것은 근본적인 물리적 원리로부터 출발해 응용 가능한 양자 물질 설계로 나아가는 첫 걸음을 내딛은 것”이라고 말했다.

이번 연구는 물리학계 권위 학술지 네이처 피직스 (Nature Physics, IF 17.6)에 10월 14일 온라인 게재되었다. 

논문 게재 정보 :

Origin of the chiral charge density wave in transition-metal dichalcogenide - Nature Physics (2024)

Kwangrae Kim, Hyun-Woo J. Kim, Seunghyeok Ha, Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, Jaehwon Kim, Junyoung Kwon, Jihoon Seol, Saegyeol Jung, Changyoung Kim, Daisuke Ishikawa, Taishun Manjo, Hiroshi Fukui, Alfred Q. R. Baron, Ahmet Alatas, Ayman Said, Michael Merz, Matthieu Le Tacon, Jin Mo Bok, Ki-Seok Kim & B. J. Kim