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  • 바일 반 금속 TaAs 표면 상태의 페르미 아크 스핀 구조 연구등록일 : 2015/12/01
  • 바일 페르미온(Weyl Fermions)은 일종 기본 입자로서 지난 1929년도에 과학자들에 의해 예측되었지만 줄곧 관련 실험을 통해 입증되지 못한 상황이다. 최근 년간 응집물질물리 분야에서의 토폴로지 밴드 이론의 신속한 발전은 바일 페르미온 관측을 위해 새로운 아이디어와 루트를 제공해 주고 있다.

    특정 시간 혹은 공간 반전 대칭성 파괴의 응집물질 속에서 저에너지 전자의 여기는 바일 페르미온을 실현할 수 있는 것으로 나타났다. 이런 유형의 재료 시스템을 과학기술계에서는 바일 반 금속(Weyl semi metal)이라고 한다.

    TaAs 가족은 최초로 실험을 통해 검증된 바일 반 금속(Weyl semi metal)에 속한다. 중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음) 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 바일 반 금속 TaAs 표면 상태(Surface states)의 페르미 아크 스핀 구조(Fermi arc Spin Structure) 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

    연구팀은 이번 연구를 통해 TaAs 가족 바일 반 금속에 대한 이론적 예언을 하였으며(Phys. Rev. X 5, 011029 (2015)), TaAs 고품질 단결정 샘플 제조와 키랄 이상은 부정적인 자기 관측이었으며(운송 차원에서 페르미의 존재를 입증함(Phys. Rev. X 5, 031023 (2015))), TaAs 중 바일 반 금속의 특유한 표면 상태 페르미 아크(Phys. Rev. X 5, 031023 (2015))와 쌍을 형성한 3차원 디랙(Nat. Phys. 11, 724 (2015))에 대한 관측을 실행하고 실험 상에서 TaAs가 바일 반 금속 상태에 처해 있다는 점을 확정하였다.

    중국과학원 물리 연구소 딩훙(丁洪) 연구원 연구팀은 최근 천건푸(陳根富) 연구원 연구팀이 성장시킨 TaAs 단결정 샘플에 대해 고 정밀도 스핀 해상도 각도 식별 광전자 에너지 스펙트럼(SARPES) 측정 작업을 실행하여 표면 상태 페르미 아크가 스핀 극화 특성을 보유하고 있다는 점을 입증하였다.

    연구팀이 이번 연구를 통해 해석한 스핀-운동량 관계는 거울 면과 반전 대칭성을 충족시키고 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해 TaAs 바일 반 금속 상태 토폴로지의 평범하지 않은 속성을 입증하는 직접적인 실험 증거를 제시하였을 뿐만 아니라 체 내 바일 노드의 “자기 단일 극” 속성을 간접적으로 입증하는데 성공하였다.

    연구팀은 관측의 스핀-운동량 관계를 이용하고 이론 분석과 결합하여 바일 콘 키랄을 확정하는데 성공하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 세계 최초로 바일 반 금속 표면 상태 페르미 아크 스핀 구조 관련 실험 작업을 실행하였다.

    연구팀의 관련 연구 성과는 지난 11월 16일 물리학 분야에서 권위 있는 국제학술지인 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)` 온라인 판에 게재됐다.

    이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 및 중국과학원의 ‘선행연구 B 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.

    그림 1. (a): 스핀 극화의 페르미 아크 연결 바일 반 금속체 상태가 보유하고 있는 상반되는 키랄의 바일 점이 표면에서 투영된 결과임. (b)와 (c): 빨간색과 노란색 화살표는 실험 측정의 스핀 극화 방향을 표시함. (d): 표면 상태 스핀 극화 구조와 바일 점 키랄의 제1성 원리 계산 결과임.
  • 키워드 : 바일 반 금속, TaAs 표면 상태, 페르미 아크 스핀 구조
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑