물리계에서는 이론적으로 2차원 이하의 물질에서는 부도체에서 도체로 양자 상전이가 불가능하다고 예측했다. 양자 상전이(Quantum phase transition)란 열적인 요동 외 다른 요인들로 양자 요동이 일어나 상전이가 되는 현상을 말한다. 1979년 이론이 제안된 후 물리계는 오랜 기간 예측을 믿었다. 그러다 1994년 실리콘에서의 2차원 전자 체계에서 도체-부도체 상전이 현상(metal-insulator transition, MIT)이 실험으로 발견되자 물리계가 들썩였다. 과연 2차원 물질에서의 도체-부도체 상전이 현상은 왜 발생하는 것인가? 학계에선 이 문제를 가장 풀기 어려운 난제중 하나로 여기고 있다.

▲ 양자 상전이 현상으로 2차원 물질의 도체-부도체 상전이를 설명하는 그래프. 상전이가 온도와 상관없이 일어난다는 게 핵심이다.

IBS 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 연구진이 최근 활발히 연구되는 2차원 물질인 이황화몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS₂) 필름에서 나타나는 도체-부도체 상전이 현상을 측정하고 이를 양자 상전이로 설명할 수 있다는 결과를 발표했다. 또한, 이황화몰리브덴의 두께에 따라 물질 내 대칭성까지 바뀐다는 것을 확인했다. 이번 연구는 그간 난제로 꼽혀온 문제에 접근한 만큼 물리계에 새로운 관심을 가져올 것으로 기대된다.

도체-부도체 상전이를 양자 상전이 관점에서 설명하는 연구진들은 2차원 물질 내 전자 간 상한 상호작용이 이에 영향을 끼친다는데 동의한다. 다만 한계차원인 2차원에서 불순물과 상호작용의 상관관계가 명확하게 이해되지 않는다는 게 걸림돌이었다. 한계차원에서는 도체-부도체 상전이가 일어나는 경계에 2차원이 존재하기 때문에 상전이가 일어나지 않는다고 예측한다.

불순물과 전자들 간 상호작용의 상관관계 파악은 도체-부도체 상전이 현상 메커니즘을 이해하는데 있어 핵심적 요소다. 전자들 간 상호작용이 커지면 불순물의 영향력이 작아지면서 부도체가 도체 상태로 상전이 될 수 있기 때문이다. 하지만 불순물의 효과와 전자들 간 상호작용에 의한 효과를 명확하게 구분하는데 어려움이 뒤따랐다. 불순물의 효과가 크면서 동시에 상호작용의 효과가 클 경우, 이론적으로 접근이 어려울 뿐만 아니라 보통의 실험 환경에서도 이를 면밀하게 살펴보기에는 한계가 크다는 이유가 있었다.

IBS 연구진은 2차원 반도체 물질은 불순물이 많은 반면 큰 유효질량과 작은 유전율 때문에 전자 간 상호작용이 크고 두께에 따라 두 조건이 달라질 수 있다는 데 착안해 연구를 설계했다. 그 중에서도 최근 가장 많이 연구되면서 물질의 특성이 좋은 이황화몰리브덴을 연구 대상으로 삼았다. 연구진은 여러 두께의 이황화몰리브덴으로 불순물과 상호작용의 상관관계를 관찰할 수 있을 거라 예상했다. 이에 따라 새로운 물리현상도 발견할 수 있을 것으로 기대했다.

연구 결과, 연구진은 이황화몰리브덴에서 발생하는 도체-부도체 상전이 현상이 양자 상전이로 설명될 수 있다는 사실을 확인했다. 전자 간 상호작용이 충분히 큰 층상 구조에서는 불순물의 영향을 최소한으로 차폐시킬 경우 마치 불순물이 없는 것 마냥 상전이가 발생함을 관찰했다. 반대로 단일층에서는 오히려 불순물에 의해 상전이가 유도된다는 것을 파악했다. 즉, 복층 구조일 때 전자 간 상호작용이 상전이의 원인이 되고 이 상호작용의 비대칭성으로 인해 상전이의 비대칭성이 유도되다가 단일층에서는 대칭적으로 바뀌는 현상을 확인한 것이다.

이번 연구에서 발견된 새로운 물질 시스템은 2차원에서의 도체-부도체 상전이 연구에 있어 기존의 전통적인 물질 시스템의 한계를 뛰어 넘을 것으로 기대된다. 단일층인 경우 거의 완벽한 2차원 물질로 간주될 수 있으며 두께 조절이 용이해 두께에 따른 상전이 변화 외에도 주변과의 환경 조절도 용이하다. 다른 유전율을 가진 물질로 덮어 차폐효과를 바꿔가면서 일어나는 변화를 쉽게 관찰할 수도 있다. 연구진은 이번 연구결과를 통해 여러 흥미로운 물리적 특성뿐만 아니라 이런 시스템의 유용성과 가능성을 알릴 수 있었던 게 본 연구의 의의가 될 것이라고 설명했다.

▲ 위 그림은 여러 두께의 이황화몰리브덴을 대상으로 도체-부도체 상전이 현상을 파악한 이미지다.

이번 연구를 주도한 문병희 연구교수는 “2차원 도체-부도체 상전이에 대한 결과는 오랫동안 풀리지 않는 문제였다”며 “앞으로 추가적인 새로운 실험들을 계획해 도체-부도체 상전이 현상에 보다 근원적으로 파고들고자 한다”고 전했다. 논문을 심사한 한 연구자는 “무질서한 시스템에서 불순물이나 결함으로 인해 전자들이 확산되지 못하고 좁은 위치에 모여 있는 앤더슨 국소화 현상에 전자들의 상호작용이 미치는 효과 등 다체계 (many-body) 에서의 국소화 현상들에 대한 새로운 관심을 일으킬 정도로 흥미로운 연구”라고 평했다.

2차원 물질의 도체-부도체 상전이 현상을 양자 상전이 현상으로 설명할 수 있음을 밝힌 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, JCI IF 12.124, DOI: 10.1038/s41467-018-04474-4)에 5월 25일 온라인 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경