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반도체성 물질에서 뛰어난 전기적 성질 때문에 층 구조를 가진 2차원의 물질은 첨단 연구 영역으로 여겨진다. 고성능의 다층 흑인 (black phosphorus)은 뛰어난 유동성과 개폐 비율을 가지고 있어서, 흑인은 전자기판이나 광전자 기기들에서 기존의 실리콘을 대체할 수 있을 것으로 각광을 받고 있다. 따라서 흑인에 대한 물리학적 성질의 규명에 많은 관심이 모아지고 연구가 이루어지고 있다. 이러한 성질은 재료과학과 응집물질 물리학 분야에서 매우 흥미로운 영역이다. 반면 구조를 가지는 물질의 개발에 있어서는 3차원 구조를 조절할 수 있는 Dirac 비금속 물질에 대한 연구도 뜨거운 관심을 모으고 있다. 중국과학기술대학의 Chen Xianhui교수 연구팀, 복단대학의 Zhang Yuanbo교수 연구팀, 그리고 하북성의 하북성 물리학 연구소내 고체물리학 연구소의 Zou Liangjian교수 연구팀은 공동으로 흑인이 압력에 따라 Shubnikov-de Haas식 진동을 한다는 것을 보고하였다. 또한 흑인에서 압력에 의해 유도되는, 반도체성 물질로부터 Lifshitz식 전이를 일으킨다는 것도 보고하였다. 이를 통해서 수압의 조절이 흑인에서 전자들의 양자역학적 성질을 조절하는 데 중요한 방법이라는 것을 발견하였다. 그러나 이러한 압력의 조절을 통해 어떻게 결정의 구조, 전자 구조 그리고 전기적 성질을 변화시킬 수 있는지를 실험적으로 증명하는 것은 매우 어려웠다. 최근에 흑인에서 수압이 어떤 역할을 하는지를 보여주기 위해서 하북성 물리학 연구소내 고체물리학 연구소의 재료물리학 중점 실험실 Zou Liangjian교수는 과학기술대학의 Chen Xianhui교수, 그리고 홍콩대학 물리학과의 Shen Shunqing교수와 함께 몇 가지 물리학의 기본적인 원리를 이용하여 흑인에서 수압에 따라 어떻게 결정구조와 전자구조가 변하는지를 체계적으로 연구하였다. 임계 압력이 1.23GPa에서 에너지밴드가 형성됨을 발견하였고, 압력이 증가하면 다시 밴드의 역전현상이 일어남을 발견하였다. 따라서 압력 아래에 있는 흑인은 3차원의 비금속성 Dirac 물질임을 보여주었고, 임계 압력에서 반도체 물질로부터 3차원 비금속성 Dirac 물질로 전이가 일어난다는 것을 발견하였다. 또한 공간적 대칭에 의해 3차원 비금속성 Dirac이 벌크의 흑인으로부터 보호됨을 알게 되었다. 또한 연구진들은 다양한 압력 조건 아래에서 이방성 유효질량, 페르미 속도, 유동성을 예측하였다. 이를 통해 층 구조의 흑인이 양자역학적 광전자기기나 전자기기에 사용될 수 있다는 가능성을 보여 주었다. 관련 연구는 두 개의 논문으로 발표되었다 (Phys. Rev. Lett. 2015, ,115, 186403/ Phys. Rev. B, 2016, 93, 195434). 이 연구는 중국 자연과학기금에 의해 지원을 받았다. |
