In the past few decades, spin-orbit coupling is considered as minor perturbation in the condensed matter physics. However, theoretical predictions and material researches have brought new perspective on the spin-orbit coupling studies. The materials with strong spin-orbit coupling make possible to manipulate the spin degree of freedom by only electric field. Furthermore, the materials called topological insulator with strong spin-orbit coupling have recently attracted attention because of their unique properties. The spin-orbit coupling inherent to topological insulators causes the spin orientation of the surface electrons to be locked perpendicular to their translational momentum, resulting in the suppression of electron backscattering from nonmagnetic perturbations. These exotic properties caused by strong spin-orbit coupling could develop for spintronics, quantum computing applications and fundamental studies such as developing Majorana fermions.
Topological insulator and strong spin-orbit coupling materials are mostly composed of heavy atoms. The chalcogenide and arsenic compounds are those kinds of materials in condensed matters. In the sense of dimension, the nanostructured materials give various opportunities to investigate unique properties of strong spin-orbit coupling materials because of their large surface to volume ratio and quantum confinement effect. Among diverse materials, we synthesized single crystalline $\beta -Ag_2Se$, $Ag_2Se_xTe_{1-x}$, $Bi_2Se_3$ nanostructures by chemical vapor transport.
By measuring electrical properties in low temperature, we confirmed that $\beta -Ag_2Se$ is new class of 3D topological insulator. The topological surface states were verified by measuring electronic transport properties including the weak antilocalization effect, Aharonov-Bohm oscillations, and Shubnikov-de Haas oscillations. First-principles band calculations revealed that the band inversion in $\beta -Ag_2Se$ is caused by strong spin-orbit coupling and Ag-Se bonding hybridization. These extensive investigations provide new meaningful information about silver-chalcogenide TIs that have anisotropic Dirac cones, which could be useful for spintronics applications.
We also performed that the hybrid junction between $\beta -Ag_2Se$ nanowire and Al superconducting electrodes. This Josephson junction showed strong Josephson coupled super current. We observed critical current $I_c$ = $28.8 \mu A$ at the base temperature T = 300 mK. The temperature dependence of $I_c$ showed the convex-shape, inferring that the $\beta -Ag_2Se$ nanowire and Al were strongly coupled. The stochastic switching current distribution showed that the macroscopic quantum tunneling of the Josephson phase particle was maintained at T = 0.8 K, confirming the strongly coupled Josephson junction. This study could provide useful information for developing Josephson phase qubit.
We performed the electrical and mechanical measurement of InAs nanowires which also have strong spin-orbit coupling. The measured InAs nanowires were grown by two different methods, one is metal-organic chemical vapor deposition and the other is molecular beam epitaxy. The InAs nanowire grown by metal-organic chemical vapor deposition had relatively low resistance that make possible to measure the magneto-motive mechanical signal with quality factor Q ~ 126000. The mechanical resonance of InAs nanowire grown by molecular beam epitaxy was measured by capacitive coupled between nanowire and bottom gate. The field effect transistor characteristic of InAs nanowire amplified the mechanical signal. They also showed coupling between the mechanical resonance and their electronic structures. These demonstrations could provide deeper understanding of relation between mechanics and electronics.
스핀-궤도 결합은 고체 물리에서 비교적 작은 간섭 현상으로 여겨져 왔었다. 하지만 최근 이론적인 예측과 새로운 물질의 발견으로 인해서 스핀-궤도 결합 현상을 새로운 관점으로 보고 다양한 연구들이 시작되었다. 강한 스핀-궤도 결합을 가진 물질은 스핀을 전기장 만으로 그 상태를 조절 할 수 있게 하는 독특한 특성이 발견 되었다. 나아가 최근에는 강한 스핀-궤도 결합을 가진 물질 중에 위상 절연체로 알려진 물질은 독특한 성질 때문에 현재 많은 관심을 받고 있다. 위상 절연체에서 스핀 궤도 결합은 표면상태의 전자의 스핀을 이동하는 운동량 방향의 수직 방향으로 고정시켜주는 특성을 보이며, 결과적으로 전자의 이동은 비자성 방해에 영향을 받지 않고 전자의 역방향 산란을 억제시켜 준다. 이러한 강한 스핀-궤도 결합에 의한 독특한 현상은 미래 스핀트로닉스, 양자 컴퓨팅 응용, 마요라나 페르미온 관측 등, 많은 분야에 응용될 수 있을 것으로 전망한다.
위상 절연체와 강한 스핀-궤도 결함을 가진 물질들은 대부분 무거운 원자로 이루어져 있다. 칼코겐화물 또는 비소화물 화합물이 대표적으로 무거운 원소로 이루어진 물질이다. 이러한 물질을 연구하는데 있어서, 나노구조 물질은 높은 부피 대비 표면을 가지고 있고 양자 제한 효과에 의해서 강한 스핀-궤도 결합을 연구하는데 있어서 다양한 기회를 제공해 준다. 다양한 물질들 중에서 우리는 $\beta -Ag_2Se$, $Ag_2Se_xTe_{1-x}$, $Bi_2Se_3$ 나노구조를 화학 기상 이송법을 통해서 단결정으로 합성하였다.
극저온에서 전기적 특성을 측정하여 우리는 $\beta -Ag_2Se$가 새로운 3D 위상절연체임을 확인하였다. 위상 절연체의 표면상태는 weak antilocalization 현상, Aharonov-Bohm 진동, 그리고 Shubnikov-de Haas 진동으로 알려진 양자현상들을 전기적으로 측정함으로써 확인하였다. 제 1 원리 밴드 계산을 통해서 $\beta -Ag_2Se$에서 강한 스핀-궤도 결합과 Ag-Se 결합 혼성화에 의해서 밴드 역전이 일어나는 것을 확인하였다. 이 연구는 비등방성 디락콘을 가진 은 칼코겐화물 위상 절연체에 대한 다양한 정보를 제공하며 향 후 스핀트로닉스 응용에 도움이 될 수 있을 것이다.
또한 우리는 $\beta -Ag_2Se$ 나노선과 알루미늄 초전도체 전극을 이용한 혼성 구조를 통해 조셉슨 접합을 만들었다. 만들어진 조셉슨 접합은 초전도체와 강한 조셉슨 접합을 보였다. 우리는 300 mK에서 비교적 높은 초전류 $28.8 \mu A$ 관측 하였다. 초전류의 온도 의존성 또한 볼록한 형태로 떨어지는 것을 보아 $\beta -Ag_2Se$ 나노선과 알루미늄이 짧은 영역에서 조셉슨 접합이 되어 있음을 확인하였다. 확률론적인 초천류 분포를 관찰 하였을 때, 조셉슨 위상 입자의 거시적 양자 터널링이 0.8 K 까지 유지되는 것을 확인하였다. 이 연구는 조셉슨 qubit 연구에 유용한 정보를 제공할 것이다.
마지막으로 우리는 인듐 비소화 나노선에서 전기적 및 기계적 특성을 측정하였다. 측정된 인듐 비소화 나노선은 두 가지 방법으로 합성 되었다. 하나는 Metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) 방법을 통해서 합성하였으며, 다른 나노선은 Molecular beam epitaxy (MBE) 방법을 통해서 성장 시켰다. MOCVD 방법으로 성장된 나노선은 비교적 낮은 저항을 가지고 있어 magneto-motive 방법을 통해서 기계적 신호를 관측 할 수 있었으며, quality factor Q ~ 126000 정도로 확인 되었다. MBE 방법으로 성장된 나노선은 나노선과 바텀 게이트 전극 사이에 축전식으로 결합이 되어있는 구조를 가지고 이를 통해 기계적인 특성을 측정 하였다. 이때, 인듐 비소화 나노선의 전계 효과 트랜지스터 특성은 기계적인 공명 신호를 증폭시키는 역할을 하였다. 또한 기계적 공명 신호와 인듐 비소화 나노선 내부의 전기적 구조에 의한 신호가 서로 연관성을 가지고 결합되어 있는 것을 관찰 할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 기계적 시스템과 전기적 시스템의 연관성을 보다 깊게 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
