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도쿄(東京)공업대학 물리원 물리학계, 분자과학연구소, 러시아·스페인의 이론그룹 등의 국제 공동 연구그룹이 토폴로지컬 절연체의 표면 근방에 복수의 규칙적인 자성층을 포함시키는 데 성공, 그 표면 디락 콘(Dirac cone)의 에너지 갭이 자화(磁化) 질서가 발현하는 온도보다 높은 온도에서 닫히는 것을 실증함. ‘토폴로지컬 절연체’는 물질 내부는 절연체로 전류를 통하지 않지만, 표면에는 금속 상태가 존재하여 전류를 흐르게 할 수 있는 새로운 절연체로 양자 물질로 주목 받고 있음. 이 토폴로지컬 절연체에 자석의 성질인 자화 질서를 도입함으로써 수송 특성으로 ‘양자 이상 홀 효과’가 실현됨. 자성 토폴로지컬 절연체에서는 표면에 존재하는 디락 전자 에너지에 갭이 열리지만 지금까지의 연구에서는 이론 적으로 예상되는 자화 질서(자성)와 디락 콘의 에너지 갭의 상관관계가 실험적으로 올바른 것인지 명확하지 않아 논쟁이 되었음. 연구진은 토폴로지컬 절연체인 Bi2Te3(비스무트 텔루르 화합물) 박막 위에 Te(텔루르)와 자성 원소 Mn(망간)을 증착시킨 결과, 표면 근방에 Mn과 Te가 스며들어, ‘Mn4Bi2Te7/Bi2Te3’이라는 자성 토폴로지컬 절연체 헤테로 구조가 형성됨. 그리고 이 물질의 표면 디락 콘의 에너지 갭은 자화 질서가 소실되는 온도보다 한 자리 수 높은 온도까지 존재하며, 결과적으로 닫히는 것을 확인함. 본 연구 성과에 따라 ‘양자 이상 홀 효과’가 지금까지 알려진 것 보다 고온에서 실현되어, 향후 디바이스 응용에 이어질 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone”) 지에 게재됨.