홀슈타인 폴라론은 도핑된 전자와 격자 사이의 결합으로 발생하는 준입자(Quasi-particle) 상태로 지난 2018년 이황화몰리브덴(MoS2)에서 최초로 발견됐으며, 그간 전이금속이칼코겐화합물(TMDC) 반도체 물질에서 발견된 초전도 현상의 원인으로 주목받아 왔다.
하지만, TMDC반도체 물질에서 발견된 초전도 현상과 관련해 전자의 스핀과 관련된 이징(Ising) 초전도모델의 가능성이 제시되어 왔음에도 스핀-궤도 효과가 결합된 홀슈타인 폴라론을 실험적으로 발견하지 못한 한계를 가지고 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 정성원 교수 연구팀은 영국 다이아몬드 방사광가속기 연구소(Diamond Light Source)의 티무르 킴(Timur Kim) 박사, 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL)와 공동으로 연구를 수행했으며 MoSe2의 표면에 알칼리 금속을 증착하며 각분해광전자분광(Angle-resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES) 실험을 통해 알칼리 원자의 표면전자도핑 효과에 의해 발생하는 스핀-궤도 효과가 결합된 홀슈타인 폴라론을 세계 최초로 발견했다.
또한 이를 확인하는 과정에서 라쉬바 효과(Rashba Effect)처럼 표면 전기장 제어를 통해 TMDC 반도체가 가진 전도성 띠의 스핀 갈라짐 현상을 제어할 수 있음을 규명해 이징 초전도모델뿐만 아니라 이차원 반도체 물질을 활용한 스핀트로닉스 소자 제어 기술에 대한 단초를 제공할 수 있게 됐다.
한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업-우수신진연구와 경상국립대 G-LAMP사업단(단장 최병근)의 지원을 받은 이번 연구결과는 세계적인 재료과학 분야 학술지 《에이시에스 나노(ACS Nano)》(IF:15.8, JCR:6%)에 '전자도핑된 MoSe2물질의 홀슈타인 폴라론, 라쉬바효과와 유사한 스핀갈라짐, 이징 초전도성(Holstein Polarons, Rashba-Like Spin Splitting, and Ising Superconductivity in Electron-Doped MoSe2)'이라는 제목으로 지난 11월 26일 온라인에 게재됐으며, 10일 Supplementary Cover(보충커버) 선정과 함께 정식 출판됐다.
정성원 교수는 "공교롭게 아버지의 21주기 기일에 커버까지 선정돼 동료들, 학생들과 함께 재미있게 연구하라는 뜻으로 알고 양자물질과 관련된 다양한 연구를 더 열심히 하겠다"고 말했다.
