초록 ▼

본 연구는 M_xTiSe₂ 화합물 (M=Co,Fe,Ni,Cu)에서 자성 특성과 무질서에 대한 상관관계를 밝히는 것으로 시작하여 연구의 후반기에는 이 연구를 보다 확장하여 3차원 위상부도체 (3D topological insulator)에 자성무질서가 첨가되었을 때의 효과 및 새로운 위상적 구조를 갖는 물질계를 찾는 연구로 점차 발전되었다.
(1) Interplay between the Kondo effect and randomness: Griffiths phase in M_x

본 연구는 M_xTiSe₂ 화합물 (M=Co,Fe,Ni,Cu)에서 자성 특성과 무질서에 대한 상관관계를 밝히는 것으로 시작하여 연구의 후반기에는 이 연구를 보다 확장하여 3차원 위상부도체 (3D topological insulator)에 자성무질서가 첨가되었을 때의 효과 및 새로운 위상적 구조를 갖는 물질계를 찾는 연구로 점차 발전되었다.
(1) Interplay between the Kondo effect and randomness: Griffiths phase in M_xTiSe₂ (M=Co, Ni, and Fe) single crystals
M_xTiSe₂ 화합물 (M=Co,Fe,Ni)에서 x의 값이 작은 역역, 즉 자성불순물 M이 희박한 영역에서 자성불순물 M의 무질서에 기인하는 새로운 콘도(Kondo) 효과가 나타난다는 것을 실험적으로 밝혀내었다. 무질서 콘도 효과라 불리는 이러한 현상은 f전자계에서는 간혹 발견되었고 이론적으로 비페르미 액체 상태가 되는 하나의 방법으로 알려져 있지만 본 연구 이전에는 이와 같은 현상이 d전자계에서 발견된 적은 없었다.
본 연구는 처음으로 자성불순물이 첨가된 d전자계에서도 무질서 콘도 현상이 나타날 수 있음을 보인 의미있는 결과라 하겠다. 특히, 본 연구에서 비페르미 액체의 연구에서는 많은 주목을 받지 못한 자기저항이 무질서 콘도 효과의 에너지 스케일 결정할 수 있는 중요한 실험 방법임을 보였다. 무질서에 의한 콘도온도 (Kondo temperature)의 분포는 콘도 스크리닝이 일어나는 아주 낮은 온도 전까지 이 물질이 비정상적으로 행동하게 만들고 이러한 비정상적인 행동의 하나가 자기장에 선형적으로 증가하는 자기저항으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. [Sasaki et al., Phys. Rev. B 82, 224416 (2010)]
(2) Electrical transport properties of insulating Bi₂Te₃
본 연구에서는 Bi₂Te₃에서 Bi와 Te의 미세한 조절을 통하여 부도체의 성질을 보이는 Bi₂Te₃ 시료를 합성하고 전기 전도 특성을 측정하여 이 특성에 표면 채널이 커다란 역할을 할 수 있음을 보였다. 특히, 이전의 다른 연구잘들의 연구와 본 연구에서 보인 홀저항의 비선형적 자기장 의존성을 2D dirac fermion의 anomalous Hall effect로 분석하였다. [Heon-Jung Kim et al., Phys. Rev. B 84, 15144 (2011)]
(3) 3D magnetic topological insulators and topological phase transitions of M_xBi₂Te₃ (M=magnetic ions)
본 연구에서는 연구과제의 주제인 무질서의 효과를 3차원 위상부도체에서 보고자 하였다. 자성불순물 M에 의한 시료벌크의 자성의 특성의 변화는 놀랍게도 시료의 표면 상태에도 영향을 주어 표면의 전자 구조와 시료 전체의 전기 전도성을 변화시키는 것으로 확인되었다. 특히, 특정한 자성 특성을 갖는 x에서는 새로운 위상 전이가 일어날 수 있음을 확인하여 벌크의 자성 구조가 새로운 전자 상태를 발현시키는 중요 변수가 될 수 있음을 보였다. 이를 통하여 3차원 위상 부도체의 연구가 비페르미 액체, 양자상전이의 연구 분야와 융합될 수 있음을 보인 의미있는 결과라 하겠다. [Heon-Jung Kim et al., Phys. Rev. Lett. 110, 136601 (2013)]
(4) Weyl semimetallic state in Bi_1-xSb_x under the magnetic fields
위의 (3)의 연구를 통하여 밴드 부도체와 위상 부도체의 상전이 점에서 물질의 새로운 위상적 상태가 나타날 수 있다는 점을 확인하였는데 3차원에서 이러한 특이한 위상적 구조를 갖는 물질의 상태를 찾고자 Bi1-xSbx에서 일어나는 위상적 상전이에 주목하여 이 상전이 점에서 자기장을 걸었을 때 Weyl semimetallic state가 나타날 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 이 연구의 중요성은 응집 물리계에서 Weyl semimetallic state의 존재를 본 연구에서 처음으로 확인하였다는 점과 이 상태가 2차원 그래핀의 단순하지 않은 3차원의 확장, 즉 위상적 EB항에 의한 chiral anomaly의 효과를 실험적으로 측정했다는 점에 있다. [Heon-Jung Kim et al., accepted in Phys. Rev. Lett.]

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 9