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온도 낮추면 전기 안통한다고? 아니올시다

한양대 물리학과 조준형 교수 - 미래창조과학부 제공

▲  한양대 물리학과 조준형 교수 -  미래창조과학부 제공

 

 

  금속에는 전기가 통하기 마련이다. 그런데 두께가 매우 얇은 금속 표면온도를 영하 240도까지 낮추면 전기가 통하지 않는다. 이처럼 낮은 온도에서 금속에 전기가 통하지 않고 절연체가 되는 것을 '금속-절연체 상전이 현상'이라고 한다.

 

  한양대 물리학과 조준형 교수와 이준호, 김현중 연구원은 이 상전이 현상을 설명하던 기존의 이론을 뒤집는 새로운 이론을 제시해 주목받고 있다. 연구진에 따르면 게르마늄에 나노(1nm는 10억 분의 1m) 두께로 주석원자를 얇게 깐 주석나노박막에서 일어나는 금속-절연체 상전이 현상은 스핀의 정렬 때문이라는 것.

 

  스핀은 전자가 나타내는 양자역학적 자기현상을 표현한 운동량으로 스핀에 의해 생기는 힘 때문에 물질은 자기적 성질을 띠게 된다.

 

  연구팀이 온도를 서서히 낮추면서 주석나노박막의 전기전도성과 구조를 알아본 결과, 주석나노박막의 구조는 영하 50도에서 살짝 바뀌었다가 다시 영하 240도에서 회복하며 상전이 현상이 일어났다.

 

  연구팀은 이 현상을 양자역학에 기초한 전자밀도 정보와 순간적인 전하분포의 요동에 의한 원자나 분자 사이에서 발생하는 인력인 '반데르발스 상호작용력'을 고려해 분석한 결과 금속-절연체 상전이 현상이 스핀의 정렬 때문이라는 것을 알 수 있었다.

 

영하 240도에서 주석나노박막의 구조가 회복될 때 두 개의 스핀은 위로 향하고 한 개의 스핀은 아래로 향하는 방식으로 정렬되는데, 이 때 스핀은 서로의 자기적 성질을 상쇄하지 못하고 자성을 띠어 결국 전기가 흐르지 않는 절연체가 된다는 얘기다.

 

  그동안 이 상전이 현상은 전자간 척력이 원인이라 이해돼 왔는데, 이번 연구결과는 기존의 이론을 뒤집는 셈이다. 이 때문에 이번 연구성과는 물리학 분야 권위지인 '피지컬 리뷰 레터스' 6일자에 실렸다.

 

  조 교수는 "이번 연구에서 금속-절연체 상전이의 원인이 새롭게 규명됨에 따라 차세대 나노 전자소자의 물성을 이해하는데 도움을 줄 것"이라며 "얇은 원자층을 제작하는 기술이 발전해 소요 경비가 줄어들면 10년 내 실용화가 기대할 수도 있을 것으로 보인다"고 말했다.

 

 

최새미 기자 saemi@donga.com

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