서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 김현정 교수 연구팀이 열을 전기로 바꾸는 대표적인 열전물질이자 삼차원 위상 절연체로 알려진 ‘비스무트 셀레나이드(Bi2Se3)’에서 들뜬 전자에 의한 결정 격자의 움직임을 펨토초(Femtosecond, 1000조 분의 1초) 단위로 측정하는 데 성공하였다.
‘물질을 이루는 전자가 빛을 받아 들뜨게 되면 결정을 이루는 원자는 어떤 영향을 받을까’, ‘물질 내부에서 결정을 이루고 있는 움직임을 매우 빠르게 측정할 수 있을까’를 고민하던 연구팀은 들뜬 전자에 의한 결정 격자의 초고속 구조 변화를 실시간으로 측정하고 빛에 의한 유도 상전이 현상을 예측하는 데 성공하였다.
연구팀은 펨토초 레이저를 이용하여 물질의 전자를 들뜨게 하고 포항의 4세대 X-선 자유 전자레이저인 PAL-XFEL을 이용하여 결정 격자의 움직임을 펨토초의 단위의 시간 분해능과 10피코미터(pm, 1000억 분의 1m)실의 움직임을 실시간으로 관찰하였다. 최초 수 피코초 내에 결정 격자는 수축하고 층간 팽창한 후 격자 진동을 보여 주는데, 이러한 현상의 측정과 이해로부터 전하 운반체인 들뜬 전자의 농도에 따라 위상 절연체의 상전이 현상을 최초로 예측할 수 있었다.
본 연구는 포항가속기연구소의 PAL-XFEL 연구팀을 비롯하여 서강대 물리학과 정현식 교수, 연세대 심은지 교수, 미국 Argonne 국립연구소의 연구팀, 미국 MIT와 국제공동연구로 이루어졌으며, 한국연구재단의 선도연구센터(SRC, Center for Advanced X-ray Science), 가속기 핵심 개발 연구 사업 및 과학기술정보통신부 리더 연구 지원 사업의 일환으로 수행되었다. 연구성과는 나노과학기술 분야 세계 최고 권위지 중 하나인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 온라인으로 지난 10월 8일에 게재됐다.
김현정 교수는 “이 연구는 X-선 자유전자레이저의 매우 짧은 펄스를 이용하여 물질의 움직임을 직접적으로 관찰했다는 것에 의의가 있고, 연구 결과는 상전이현상에 대한 이론 연구와 향후 차세대 방사광가속기와 X-선 자유전자레이저 시설의 이용 연구로 각광받을 것으로 기대된다”라고 전했다.
▶ 논문 제목: Ultrafast Carrier–Lattice Interactions and Interlayer Modulations of Bi2Se3 by X-ray Free-Electron Laser Diffractio
