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한국기초과학연구원 소재분석연구부 김해진 책임연구원팀은 '위상절연체'인 비스무스텔루라이드(Bi2Te3)의 표면 전자 움직임을 처음으로 확인. 위상절연체(topological insulator)는 내부는 절연체(전기가 안 통하는 물질)고 표면에서만 2차원적으로 전기가 흐르는 특이한 부도체임. 불변량 등 위상수학적 속성을 갖는 물질인 '위상물질'의 일종으로 에너지 손실 없이 전기 전도가 가능해 양자컴퓨터 소자로 쓰일 것으로 기대됨. 이론적으로는 위상절연체 표면에서 움직이는 전자를 내부로 끌어들여 도체로 만들 수 있다. 때에 따라 전기가 흐르고 막히는 반도체와 같은 특성을 부여할 수 있는 셈임. 현재 실리콘 반도체는 소스-드레인 전자 이동을 통해 0과 1(0 또는 1) 상태만을 구현한다. 이른바 '비트'다. 그러나 위상절연체 기반 반도체는 전자의 스핀 상태를 구현할 수 있기 때문에 '큐비트(0 그리고 1)' 연산이 가능. 이른바 '스핀 큐비트'다. 스핀은 전자의 양자역학적 운동량을 기술하는 물리량임. 통상 업스핀(위쪽), 다운스핀(아래쪽)으로 구분되며 스핀에 따라 자기장의 특성이 달라짐.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Resolving Dirac electrons with broadband high-resolution NMR”)지에 게재됨.