학부생 인턴 연구 주제

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ㆍFlat band

자유 공간에서 전자 (질량m) 의 에너지 E 는 운동량 p 와 E=p^{2}/2m 의 모양을 가진다.

그리고 고체 안에서 운동하는 전자는 동일한 모양을 유지하는데 다만 E=p^{2}/2m* 와 같이 질량이 바뀐다. m*는 m 보다 클 수도 작을 수도 있다.

질량이 바뀌는 이유는 물리학과 수업 중 고체물리 강의에서 배울 수 있다.

그런데 최근 발견된 특별한 고체에서 E 는 p 에 거의 무관하게 평탄한 모양을 가지는 것이 확인되었다. (그림)

이런 모양의 고체는 초전도 현상 혹은 강자성 (자석) 현상과 같은 현상들이 발견될 수 있기에 물리학적으로 매우 중요한 물질이다.

특히, E-p밴드 모양이 평탄할 수록 저런 형상들은 더 강하게 나타날 수 있다.

현대 물리학의 중요 목표 중 하나는 상온에서 초전도 현상을 보이는 물질을 찾는 것인데 이러한 평탄 모양 물질 중에서 발견할 수도 있다.

ㆍPhase transition of 2D semimetals

도체 (예: 금, 구리) 와 부도체 (유리, 목재)는 전혀 다른 물질로서 전기가 잘 흐르거나 혹은 전혀 흐르지 않는다.

유명한 마술사는 가끔 앵무새를 호랑이로 바꾸기는 하지만 도체를 부도체로 바꾸는 물리 마술은 없다.

그런데 원자 한층으로 구성된 2차원 물질에서는 도체를 부도체로, 혹은 부도체를 도체로 변화시키는 마술이 가능할 수도 있다.

그 비결은 2차원 물질에 전압을 가하는 것인데 그렇게 하기 위하여 물리학자들은 일반적으로 트랜지스터 구조를 만든다. (그림)

가령 +전압을 가하면 도체가 부도체로, 그리고 반대로 -전압을 가하면 부도체가 원래의 도체로 변화 (=상전이, Phase transition) 을 일으킬 수 있다.

이 현상은 학부생이라면 이해할 수 있는 물리학적 원리에 기반을 두고 있지만, 실제로 이러한 현상이 구현되는지 실험을 통해 검증하는 것은 중요한 이차원 물리 연구다.

특히, 이 현상이 구현되면 전압으로 전류 흐름을 제어하는 새로운 전기소자를 개발할 수 있기에 응용적 측면에서도 중요하다.

이 현상 구현되면 전압으로 전류 흐름을 제어하는 새로운 전기소자 개발에 쓰일 수도 있기에 응용적 중요성도 크다.

ㆍ반도체 결함 연구

반도체는 결함 상태(defect state)가 존재하여 여기에 전자를 넣거나 빼서 0과 1의 이진법 신호를 나타낼 수 있는데 이것은 메모리 반도체의 작동 원리 중 하나이다. 결함 상태의 종류와 밀도, 결함 상태의 에너지 분포 등을 측정하고 분석하는 것은 메모리 소자 개발을 위하여 중요한 연구이다. 위의 분광 장비를 이용아여 결함 상태 물성을 정밀하게 측정할 수 있다.