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  • 초전도성 재료 속의 전하밀도파등록일 : 2015/12/15
  • 초고속 레이저 기술을 사용해서, MIT의 연구진은 박막 초전도성 재료인 LSCO(La2-xSrxCuO4) 큐프레이트(cuprate)에서 전자들이 전하밀도파(charge-density wave)를 형성한다는 것을 발견했다.

    “우리는 이런 전하밀도파의 변동이 초전도성을 어떻게 방해하는지를 조사하였다. 우리는 이것이 초전도성과 경쟁적이라는 것을 발견했다”고 Mahmood가 설명했다. “매우 짧은 시간 동안에 전자들은 전하밀도파를 형성한다”고 Mahmood가 말했다. 

    전하밀도파는 일반적인 균일한 밀도가 아니라 물 위의 잔물결처럼 전도체 속의 전자밀도가 사인파(sinusoidal) 패턴 속에 분포될 때 발생한다. “이것은 매우 짧은 시간 동안에 지속되기 때문에 이것을 탐지할 수 없었다”고 그는 말했다. 초고속 분광기를 사용해서, 이번 연구진은 약 2 피코세컨드(picosecond)의 매우 짧은 시간 동안에 전자들이 전하밀도파를 형성한다는 것을 증명했다.

    “이것은 특별한 재료 속에서 전하밀도가 존재한다는 것을 관찰한 최초의 사례이고, 우리는 이것이 초전도성과 어떻게 관련되는지를 약간 알 수 있게 되었다”고 Nuh Gedik 조교수가 말했다.

    광으로 재료를 변경
    이번 연구진은 특정 에너지 임계값 이하의 강력한 레이저 광이 위상 절연체와 같은 재료 속의 전자들과 결합된다는 것을 증명했다. 이런 커플링은 플로쿠에트-블로크 상태(Floquet-Bloch state)라고 알려진 하이브리드 상태를 생성했고, 이것은 전자 밴드갭을 변화시킴으로써 재료의 특성을 변경시켰다. “우리가 할 수 있었던 연구는 실제 재료 시스템 속에서 이런 혼성(hybridization)을 증명하는 것”이라고 Mahmood가 말했다. “이것은 새로운 광-유도된 재료 상태를 이끌 수 있었다”고 Mahmood가 덧붙였다. 

    광-유도된 하이브리드 전자상태를 더 잘 알기 위해서, 이번 연구진은 이런 상태의 수명 동역학, 이런 하이브리드 상태가 지속되는 시간, 재료의 특성들을 이해하기 위해서 노력하고 있다. “이 연구는 기술적으로 중요한 영향을 끼칠 것”이라고 Gedik가 말했다.

    이번 연구진은 각 분해 광전자 방출 분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy)으로 이런 위상 절연체를 조사했다. 이것은 고체의 밴드 구조의 움직임을 포착할 수 있다. “모든 고체의 경우에, 당신은 분산 관계를 가지고, 모멘텀을 가진 전자 에너지를 매핑할 수 있게 한다”고 Mahmood가 설명했다.

    그래핀은 탄소 단일층이고, 선형적인 분산을 가진다. “그래핀의 경우에, 당신은 밴드갭이 없다는 것을 알고 있다. 이것은 모든 단일 지점에서 전자를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 우리가 만들기를 원하는 그래핀은 밴드갭이 존재하게 하는 것이다. 그래서 전자들이 갈 수 없는 지점을 존재하게 함으로써 온/오프의 전환을 가능하게 한다”고 Mahmood가 말했다. 

    “우리는 그래핀 또는 위상 절연체 속에 이것을 할 수 있는 방법을 제안했다”고 그는 말했다. “우리는 원형 편광을 사용했고, 발광 방법을 사용해서 이런 분산 관계에 대한 새로운 연구결과를 도출할 수 있었다”고 그는 덧붙였다. 

    그림. 고온 초전도체의 전자 동역학을 조사하는 초고속 광학 장치.
  • 키워드 : 초전도체, 전하밀도, , 그래핀
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑