[사진1.  물리학과 김근수 교수]

[사진2. 물리학과 김근수 교수 연구팀]

  물리학과 김근수 교수 연구팀의 'Holstein polaron in a valley-degenerate two-dimensional semiconductor' 연구가 과학기술정보통신부 및 한국과학기술기획평가원에서 이달(2019년 10월 8일) 선정・발표한 국가연구개발 우수성과 100선 중 최우수 성과에 선정되었다.

  해당 연구는 물질의 고온초전도 현상에 숨은 비밀을 밝혀줄 중요한 입자를 발견한 것으로, 김근수 교수 연구팀은 2차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)에서 '홀스타인 플라론 입자‘를 발견하였으며 본 연구는 5월 28일자 Nature Materials에 게재되었다.

  ‘홀스타인 폴라론’은 물질 속 전자가 주변 원자를 강하게 끌어당겨 원자 배열의 왜곡을 동반하며 움직이는 합성 입자로, 예를 들어 쇠공이 부드러운 방석 위를 구를 때 그 경로를 따라 방석에 구겨짐이 남는 것과 같이 방석 위를 구르는 쇠공의 양자역학적 버전을 ‘홀스타인 폴라론’이라 일컫는다. 1950년대 처음 이론적으로 예측된 이래로 고온 초전도 현상과 태양전지 효율성 저하와 같이 물리학의 중대한 난제를 해결해 줄 열쇠로 기대를 모았으나 지금까지 실험적인 발견은 어려웠다.

  김근수 교수 연구팀은 최근 초전도성이 보고된 2차원 물질 이황화몰리브덴(MoS2)에 도핑을 통해 상호작용을 인공적으로 극대화시킨 결과 ‘홀스타인 폴라론’의 미묘한 분광학적 신호를 감지하는 데 성공하였다. 이는 2차원 반도체의 밴드구조 제어를 이용하여 여태까지 발견이 어려웠던 합성입자를 발견한 사례로, 고온초전도의 원리를 규명하는 데 있어 중요한 단초를 제공할 뿐만 아니라 2차원 반도체 소자의 성능 한계를 물리적으로 이해하고 극복하는 기술을 개발하는 데 유용하게 쓰일 것으로 기대된다.

  또한 연구팀은 초전도성이 나타날 때 폴라론 입자의 결합 세기가 점차 증가함을 밝혀내기도 하였으며, 이 결과는 고온초전도 현상을 폴라론 간 결합으로 설명하는 이론 모델을 뒷받침하여 이후 후속 연구가 더욱 기대된다.