[이길호교수 연구실] 고온초전도체의 d-파 비등방 초전도성의 전도 측정을 통한 검증

Caption : 이길호 교수 연구팀은 반데르발스 비틀림 적층 조셉슨(Josephson) 접합의 전도특성을 통하여 Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) 내부 구리산화물층의 d-파 비등방 초전도성을 확인하였다. (왼쪽) Bi-2212 비틀림 적층 조셉슨 접합의 전도 측정 모식도 및 (오른쪽) 접합의 확대 구조와 운동량 공간에서 비틀린 위아래 Bi-2212의 d-파 초전도 간격.  

고온초전도체의 d-파 비등방 초전도성의 전도 측정을 통한 검증

흑연의 단원자층인 그래핀을 얻을 수 있는 물리적 박리 기법의 개발 이후, 비슷한 방법으로 얻을 수 있는 다양한 2차원 물질들에 대한 양자물리 및 양자공학 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 최근에는 같은 물질을 쌓더라도 결정각도의 비틀림을 조절하면 전혀 새로운 물성이 나타날 수 있다는 것을 알게 되었고, 이를 통해 물성을 조절하는 트위스트로닉스(twistronics)란 분야가 급부상하고 있다. 대표적인 예로 초전도체가 아닌 두 그래핀을 약 1.1도로 비틀어 쌓으면 초전도성 뿐만 아니라 강유전성도 나타난다. 이런 그래핀과 같이 결정 방향으로 물성이 동일한 등방성 결정층의 비틀림 구조에서도 새로운 물성을 관찰할 수 있지만, 비등방성 결정층을 활용하면 비틀림 각도에 대해 더 극적으로 변화하는 물성을 관찰할 수 있을 것이다.

본 연구팀은 Bi2Sr2CaCu2O8+x(Bi-2212)란 구리산화물 기반 고온초전도체에 주목했다. 고온초전도체의 기초물성을 이해하는 것은 기초물리학 뿐만 아니라 응용연구에서도 중요하나 이런 고온초전도체 물질의 비등방성에 대해서는 완벽히 알려진 바가 없다. 주사 터널링 현미경 및 각분해능 광전자 분광학을 통해 그 비등방 초전도성이 제안된 바 있었다. 전도특성 연구로써 20여년 전부터 비등방 초전도성 확인을 위해 c-축 비틀림 조셉슨(Josephson) 접합 측정이 시도되었으나 당시 소자 제작 기술의 한계로 접합 형성에 사용된 높은 온도와 기계적 힘으로 접합 계면의 결정 구조가 변형되어 명확한 결론을 내지 못한 상황이었다.

□ 박리 및 적층 공정 혁신으로 선행 연구의 한계 극복

본 연구팀은 선행 연구의 한계였던 접합 계면의 결정 구조 변형을 극복하기 위해 반데르발스 힘으로 Bi-2212 결정층을 쌓아 계면에 가해지는 힘을 최소화했다. 또한 미세 박리 후 적층 기법을 사용하여 하나의 결정을 위아래 두 층으로 박리하고 다시 둘을 비틀어 쌓고, 모든 박리부터 적층까지의 공정을 비활성 기체 분위기에서 진행하여 Bi-2212 표면의 품질저하를 최소화하였다. 이를 통해 제작한 반데르발스 조셉슨 접합에서 c-축 비틀림 각도에 대한 조셉슨 결합의 변화를 측정했고, d-파 비등방 초전도성에 기반해 이론적으로 잘 설명했다. 이 결과는 새로운 나노공정 개발의 의의뿐 아니라 고온초전도 기초물성연구의 중요성을 인정받아 최근 Nano Letters에 게재되었다. 이번 연구에서 시연한 미세 박리 후 적층 기법은 다른 다양한 공기노출에 민감한 2차원 물질들의 계면 연구를 가능하게 할 것으로 기대된다