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중국과학원 물리 연구소 산하 "베이징(北京, 북경) 응집물질물리 국가 연구센터" 소속 "표면 물리 국가 중점 실험실"의 "SF10 연구그룹" 롄차오(廉超, 염초) 박사, 멍썽(孟勝, 맹승) 연구원 연구팀은 베이징(北京, 북경) 사범대학교 위안저(袁喆, 원철) 교수 연구팀, 베이징(北京, 북경) 컴퓨팅 과학 센터 가오스우(高世武, 고세무) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 제1원리 밀도 범함수 시뮬레이션을 통해 실험에서 합성한 β12형 브로핀(Brophene)의 신기한 플라즈몬(Plasmon) 특성을 계산하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀과 흑린(黑磷) 등의 소재에 비해 브로핀(Brophene)은 2차원 소재의 비교적 강한 광과 소재 상호 작용을 보유하고 있는 동시에 금속 특성 및 특수한 디랙 에너지 밴드 구조로 인해 전자 농도, 플라즈몬 주파수 구역 등 분야에서 우수한 플라즈몬 성능을 가지고 있음을 발견함.

브로핀(Brophene) 속에는 두 가지 유형의 캐리어가 존재한다는 점을 발견하였는데 하나는 중심이 X 포인트에 있는 1차원 전자 기체이고, 다른 하나는 중심이 Y 포인트에 있는 2차원 전자 기체이며, 두 가지 캐리어는 보린 플라즈몬의 두 가지 분류에 각각 대응되며, 2차원 전자 기체는 각 방향이 균일한 높은 에너지 분류를 형성하고, 1차원 전자 기체는 이방성의 낮은 에너지 분류를 형성하는 것으로 나타났음.

이 두 가지 모델은 테라헤르츠(Terahertz)에서 자외선 주파수대까지 폭넓은 주파수 범위를 커버할 수 있기 때문에 가시광선과 충분히 커플링할 수 있는 동시에 두 가지 분류의 플라즈몬은 그래핀 플라즈몬과 동일한 낮은 쇠감 비율을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

브로핀(Brophene) 플라즈몬의 낮은 에너지 분류는 Γ-X 방향에서 형성되고 전파되며 기존의 1차원 구조 플라즈몬과는 다르다는 점을 발견하였는데 동 발견은 2차원 구조 속에서 여전히 단일 방향 전송의 1차원 플라즈몬 모델을 보유하고 있다는 점을 의미함.

연구팀은 전자 구조에 대한 더욱 심층적인 분석을 통해 동 1차원 모델은 브로핀(Brophene)의 독특한 전자 구조에서 유래되는 동시에 보린 속의 디랙 전자가 밴드 내부로 도약하는 면에서 기여를 한다는 점을 입증하였음.

연구팀의 관련 연구결과에 따르면, 2차원 브로핀(Brophene)에는 더욱 풍부한 빛과 물질의 상호 역할 이미지가 존재하는 것으로 나타났으며, 2차원, 1차원 전자 기체와 디랙 전자 기체가 단체적으로 자극하는 상호역할은 기이한 양자 플라즈몬을 나타내는 중요한 원인이 되고 있으며, 이런 상황은 낮은 손실, 광대역과 높은 특정 방향 등 우수한 특성을 부여하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀을 대표로 하는 2차원 플라즈몬이라는 연구 분야를 한층 더 확장시킨 상황이며, 플라즈몬 광자학 소재 연구를 풍부히 하기 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ ("Integrated Plasmonics: Broadband Dirac Plasmons in Borophene") 지에 게재됨.