[조길영 교수 연구실] T1-TaS2 에서의 네트워크 구조를 계산하여 초전도 메커니즘을 규명

Caption: (a) 〖1T-TaS〗_2의 거의 결맞는 전하밀도파상에서 발현되는 육각 네트워크 초격자. 해당 모델에서 계산된 (b) 밴드도표 및 (c) 초전도와 강자성에 대한 상도표. (d) 네트워크 초격자 상의 고차 위상물질에 대한 국소화된 전자.

포스텍(포항공대) 조길영 교수 연구팀이 1T-TaS_2에서의 네트워크 구조를 계산하여 초전도 매커니즘을 규명하였다. 

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물리학과 조길영 교수 연구팀과 염한웅 교수 연구팀이 (국제) 공동연구를 통해, 1T−Ta S 2 와 다양한 전하 밀도파 물질에서의 초전도를 네트워크 초격자 구조를 통해 이해할 수 있음을 보였다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 네트워크 초격자와 초전도의 관계에 대한 새로운 시각을 제시함으로써, 강상관전자계를 효과적으로 이해하고 기술할 수 있는 아이디어를 제시한 연구로 평가된다.

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물질의 특성은 에너지와 결정운동량의 관계를 보여주는 밴드도표(band diagram)를 통해 이해된다. 그중, 결정운동량에 대해 일정한 에너지를 가지는 평평한 밴드(flat band)는 발산하는 상태 밀도(Density-of-states, DOS)를 보여주어 오랫동안 고온 초전도로의 열쇠로서 주목을 받아왔다. 하지만, 실제 물질에서는 다양한 상호작용과 섭동이 존재하기에 평평한 밴드가 구현되기 쉽지 않다. 예를 들면, 카고메 격자(Kagome lattice)와 같은 모델은 이웃하는 이온보다 먼 전자의 이동을 고려하게 되면 평평한 밴드가 휘어지게 된다. 이번 연구는 외부 섭동에 대해 잘 휘어지지 않는 평평한 밴드를 실현하는 새로운 원리를 제시하고 있다. 이러한 원리를 통해, 본 연구진은 1차원 도선이 연결된 형태의 네트워크 초격자에서 평평한 밴드가 나타나고, 각 도선 위의 전자 간의 양자역학적 상쇄간섭을 통해 평평한 밴드가 발현됨을  보였다. 특히 1T−Ta S 2 의 거의 결 맞는 전하 밀도파(NC-CDW) 상에서 이러한 육각 네트워크 초격자가 형성됨이 이용, 1T−Ta S 2 에서 초전도가 나타나는 매커니즘을 평평한 밴드와 관련 지어 설명할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 이번 연구는 네트워크 초격자상에서 고차위상상태(Higher-order topological phase)가 자연스럽게 나타남을 보이고 있다. 고차위상물질이란 간단히 말해 표면의 표면, 즉 3차원의 경우 모서리(1d)에 국소화된 전류가 흐르거나 2차원의 경우 꼭지점에 국소화된 전하가 존재하는 상태를 말한다. 이번 연구는 네트워크 초격자상에서의 고차위상물질이 기존의 것과 달리 각 도선 교차점에서 전하가 국소화 됨을 보였다.

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연구를 주도한 조길영 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 초격자에 대한 새로운 연구 방향을 제시하며, 훗날 강상관전자계의 미지의 영역으로서 주목을 받을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.