한미 공동 연구팀이 전자 간 강한 상호작용이 일어나는 1차원 양자 금속을 최초로 구현해 냈다.

기초과학연구원(IBS)은 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장과 미국 하버드대 박홍근 교수 공동 연구팀이 1차원 금속 안에서 일어나는 '루팅거 액체 이론'(Luttinger liquid theory)을 처음으로 실험적으로 증명해 냈다고 4일 밝혔다.

전자는 2·3차원 금속 안에서는 자유롭게 움직이지만, 1차원 상태에서는 한 줄로 정렬되며 강한 상호작용이 일어난다. 거시적인 물리 이론으로는 설명할 수 없는 양자역학적 현상의 하나인 이 같은 전자 간 상호작용을 이해하기 위해 제시된 이론이 루팅거 액체 이론이다. 60년 전 제시된 이 이론은 1차원 금속에서 전자의 흐름이 전통적인 금속과는 다른 방식으로 이뤄지며, 전자 간 강한 상호작용을 통해 전도 특성이 나타난다고 설명한다.

이론을 증명하기 위해 1차원 금속인 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 실험이 시도됐지만, 전통적인 합성법으로는 화합물 층상 구조 사이의 1차원 공간인 거울 쌍정 경계(한쪽 영역의 원자 배열이 다른 쪽 영역의 원자 배열과 거울 대칭을 이루는 상태)를 수 nm(나노미터, 10억분의 1미터) 수준으로 늘리기 쉽지 않았다. 길이가 너무 짧아 원자 수준의 탐침을 이용해도 국소적으로 관찰하는 데 그쳤다.

연구팀은 몰리브덴(Mo) 원자 하나에 황(S) 원자가 두 개 붙어 있는 층상 구조를 가진 이황화몰리브덴 화합물에 주목했다. 거울 쌍정 경계의 폭이 0.4nm에 불과해 위상학적으로 1차원 금속에 해당하는 이황화몰리브덴 화합물을 반데르발스 에피 성장법(서로 끌어당기는 반데르발스 힘으로 결합한 물질을 제어할 수 있는 합성법)을 이용해 사파이어 기판 위에 수십 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 길이까지 연장하는 데 성공했다.

이어 경계 내 전도도를 측정, 거울 쌍정 경계가 루팅거 액체 거동을 보이는 이상적인 1차원 금속임을 밝혀냈다. 또 경계 내 점결함(물질의 구조에서 원자나 이온이 결여되거나 잘못 배열된 지점)의 밀도가 높아질수록 전자의 이동 속도가 줄어들고 전자 간 상호작용이 강해지는 것을 확인했다.

조문호 연구단장은 "이상적인 1차원 금속을 구현함으로써 1차원 전자계의 근본적인 물리 특성을 규명할 수 있는 실험적 토대를 마련했다"며 "차세대 양자 소자와 전자기술 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters) 지난달 27일 자에 실렸다.