중국과학기술대학 마이크로 스케일 물질 과학 국가 실험실의 차오전화(喬振華) 교수 연구팀은 국내외 연구팀과 공동 연구를 실행하여 토폴로지 교차점 이상 전류 할당 규칙(Topology Crosspoint Anomalous Electric current Allocation rules) 이론 연구에서 혁신적인 성과를 달성하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 지난 5월 20일 출판된 물리학의 권위적인 학술지인 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)`에 게재되었다.
토폴로지 양자 상태 및 관련 효과(예를 들면 토폴로지 절연체, 양자 이상 홀 효과, 양자 밸리 홀 효과 등)는 응집물리물리 및 재료 물리 분야의 연구 이슈로 되고 있다. 토폴로지 양자 상태의 주요 특징은 재료의 본체가 절연이지만 변두리에는 토폴로지 보호를 받는 전기 전도 변두리 절연 상태가 존재하고 있는 점이다.
일반적으로 실험을 통해 개발되는 재료 속에는 일반적으로 일종 토폴로지 양자 상태만 존재하는 것이 아니다. 그림 1.의 (a)에서 표시되듯이 실제적인 시스템 속에는 여러 개의 반(反) 위상 토폴로지 상태 구역이 포함되고 있는 상황이다. 두 개의 서로 반대되는 토폴로지 양자 상태의 구역 변계선 상에서 제로 굽힘 저항력 특성을 보유한 토폴로지는 제한을 받는 1차원 전자 상태를 형성할 수 있는 상황이다.
연구팀은 전(前) 단계 연구를 통해 연구팀이 개발한 토폴로지의 제한 받는 전자 상태는 핸드 타입 수송 특성(Hand-type transport properties)과 비교적 넓은 주파수 함수 분포 때문에 제로 굽힘 저항력 특성을 보유하고 있다는 점을 발견하였다. 연구팀은 관련 연구를 실행하는 과정에서 매우 현실적이고 흥미로운 과제에 부딪친 상황인데 구체적으로 "토폴로지 교차점 위치에서 입사(入射)되는 전류를 어떻게 전송하고 할당할 것인가"라는 과제이다.
연구팀은 두 개 층 그래핀의 4개 포트로 구성된 최소 토폴로지 교차점 시스템을 이그잼플(Example)로 사용하고 수치 계산을 통해 교차점 위치에서 발사한 전류는 한 개 시스템의 기하 구조 할당 비율에만 의존하고 있다는 점을 발견하였다.
그림 1.의 (b)에서 표시되듯이 토폴로지 제한을 받는 전자 상태의 핸드 타입 수송 특성(Hand-type transport properties) 때문에 우측 끝 단에 입사(入射)된 전류는 반대로 좌측 전도선을 따라 직접 앞으로 발사되지 못하지만 인접된 상, 하 두 개 루트를 따라 직각을 돌아 발사하게 된다. 입사 전류는 수직 입사이기 때문에 시스템의 본질 특징 대칭성은 상, 하 발사의 확률(Probability)을 동일하게끔 하는 것으로 나타났다.
하지만 입사 방향이 수직되지 않을 때 대부분의 발사 전류는 회전 각도가 큰 방향에 따라 전송되는 것으로 나타났다(그림 1.의 c와 d를 참조). 그 외, 좌측 전도선은 전류의 발사에 참여하지 않지만 공간에서의 상대적 위치는 발사 전류의 할당에 심각한 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
연구팀은 간단한 이론 분석을 통해 이런 이상 전류 할당 특성은 주로 입사 및 발사 전자 루트의 주파수 함수의 공간에서 겹치는 효과 및 4개의 전도선을 따르는 토폴로지 제한 전자 상태의 간섭 효과에 의해 발생한다는 점을 입증하였다.
이번 연구는 토폴로지 교차 네트워크에 기반한 낮은 소모 및 발산의 전류 분류기(Shunt) 및 양자 간섭 부품(Components) 디자인과 응용을 추진하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다.
이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 `기초과학 연구 프로젝트` 비용, 중국과학원의 `백인계획(百人計劃)` 프로그램 비용 지원을 받아 추진되었다.
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