충남대학교 물리학과 송종현 교수가 한국표준과학연구원(KRISS) 연구진과 공동 연구를 통해 위상절연체 나노와이어에서 위상학적으로 보호된 표면 상태와 2차원 전자기체(2DEG)가 공존할 때 나타나는 새로운 양자 간섭 현상을 규명하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 나노과학 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Nano Letters’(IF: 9.1)에 6월 8일 온라인 게재됐으며, 충남대 송종현 교수가 교신저자로 참여했다.

위상절연체는 내부는 절연체지만 표면에서는 전자가 손실 없이 이동하는 독특한 양자물질로, 차세대 양자소자와 양자정보기술의 핵심 소재로 주목받고 있다. 연구팀은 Sb가 도핑된 Bi₂Se₃ 나노와이어에서 아하라노프-봄(Aharonov–Bohm) 진동의 비팅(Beating) 현상을 체계적으로 관측하고, 그 물리적 기원을 규명했다.

공동 연구팀은 게이트 전압과 온도 변화에 따른 정밀한 전기수송 측정과 이론 계산을 수행해, 위상학적으로 보호된 표면 상태(Topological Surface States)와 표면 밴드 굽힘으로 형성된 2차원 전자기체(2DEG)가 동시에 존재할 경우 두 전도 채널의 양자 간섭으로 인해 독특한 비팅 패턴이 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 위상 상태와 일반 전자 상태의 상호작용을 직접적으로 입증했다.

이번 연구는 위상 양자물질 내 복수 전도 채널의 양자 간섭 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제시했으며, 차세대 양자소자와 양자정보기술 개발의 새로운 가능성을 열었다. 또, 양자 간섭 현상을 활용한 고감도 센서와 위상 양자소자 설계를 위한 핵심 원리를 제시했다는 점에서 학문적·기술적 가치가 큰 성과로 평가된다.

□ 논문 제목: Aharonov−Bohm Beating Induced by Coexisting Topological Surface States and 2DEG in Sb-Doped Bi₂Se₃ Nanowires

□ 논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6c00906