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강한 상호작용 계 양자 물성 탐구 feat. 전이금속 산화물 박막

• 강한 상호작용 계 (strongly correlated System): 여기서 상호작용은 전자-전자 사이의 상호작용을 의미하며 대학 물리학에서 배우는 쿨롱 상호작용 (Coulomb interaction)을 주로 의미합니다. 통상적으로 우리가 배우는 전자는 전류의 형태로 흐르는 존재로 배워 왔을텐데요, 이 때의 전자는 마치 기체의 분자와 같이 서로 간의 상호작용을 무시할 수 있습니다. 만약 이런 전자들 사이의 상호작용이 커지면 어떤 일이 발생할까요? 전자들의 거동이 변할 것이고 나아가 물질의 성질 또한 변하게 될 것입니다. 이러한 계를 강한 상호작용 계 (혹은 강상관계)라고 일컬으며 강상관계 물질에서는 물성이 변하는 것 뿐만 아니라 기존에는 예상할 수 없었던 새로운 물성이 발현 (emergence) 되기도 합니다. 초전도성 (superconductivity), 자성 (magnetism), 강유전성 (ferroelectricity) 등이 발현 물성에 해당합니다. 이러한 물성들은 오로지 양자역학적인 관점으로만 이해가능하며 강상관계 및 이의 발현 물성을 다루는 것은 곧 양자 물성을 탐구하는 것이 됩니다.

양자 자유도들에 의해 발현되는 양자 물성들. (Y. Tokura et al., Nat. Phys. (2017))

• 전이금속 산화물 (transition metal oxide): 전이금속 산화물은 전이 금속과 산소가 결합된 화합물입니다. 전이금속은 주기율표에서 가운데를 차지하는 원소로, 부분적으로 채워진 *d-*오비탈 쉘을 가지는 것이 특징입니다. 이러한 특징에 따라 여러 oxidatioin state를 지닐 수 있는 특성을 지니고 이에 더불어 강한 전자-전자 상호작용이 존재하는 계를 제공하게 됩니다. 전이금속 산화물은 강상관계를 제공하는 대표적인 물질군으로 제작 조건에 따라 전자 간 상호작용을 비롯한 다양한 변수가 조절되고, 절연성-금속성 같은 기본 전기적 성질부터 발현 물성까지 제어할 수 있는 것이 큰 특징입니다. 전이금속 산화물 내에 전이금속과 산소는 전이금속을 중심으로 산소가 둘러싸는 다면체 구조 (MOx, M: 전이금속)를 이루며 이는 발현 물성의 기본 단위가 됩니다.

전이금속 산화물 등에서 발현되는 양자 물성들 (M. Brahlek et al., Adv. Funct. Mater. (2018), 경북대 물리교육과 이두용 교수 발표자료)

• 펄스 레이저 에피탁시를 활용한 박막 제작 (thin film growth via pulsed laser epitaxy): 전이금속 산화물의 다채롭고 흥미로운 물성들은 물질을 나노미터 (nm) 수준 두께의 매우 얇은 박막 (thin film) 형태로 제작할 시 더욱 많은 변조가 가능합니다. 펄스 레이저 에피탁시 방법을 활용하면 복잡한 구조의 전이금속 산화물의 박막도 원자 한층 수준으로 두께를 완벽하게 제어하여 제작 가능합니다. 박막의 두께를 완벽히 제어하는 것 만으로도 물성 변조가 발생하며, 나아가 원자 층 간 발생하는 strain 효과 등을 물성 제어에 활용할 수 있게 됩니다. 특히 nm 두께로 무결하게 제작된 물질은 양자역학적 현상을 실험실에서 확인할 수 있는 (몇 안되는) 특별한 상황이라고 볼 수 있습니다.

Topic: 현실 세계에서의 양자 물성 응용

Topic: 양자 물성 변조

Topic: 다른 양자 물질과의 융합