단백질, 나노입자, 원자 등을 관찰하는 전자현미경으로 그보다 훨씬 작은 전자의 분포를 관찰해냈다.

전자의 양을 정밀하게 제어해서 원하는 위치에 형성시키고, 최대한 빠르게 이동시키는 기술은 반도체 메모리 소자, LED 광소자의 성능과 밀접하게 연관된 핵심기술이다. 전자를 효과적으로 조절하기 위해서 이론적으로 예측된 전자의 분포를 시각적으로 검증·분석할 수 있는 고분해능 현미경 관찰법이 필요하다.

연구팀은 민감도가 매우 높은 ‘인라인(inline) 전자 홀로그래피’를 이용하여 두 종류의 산화물(LaAlO3/SrTiO3) 사이에 형성된 2차원 전자가스를 시각적으로 관찰하는 방법을 개발했다. 

- 2차원 전자가스는 두 재료의 계면에 형성되는 전도성 전자 무리를 일컫는다. 전자현미경으로 관찰하기에는 신호가 약하고 여러 변수의 영향을 고려해야 하는 한계로 인해 지금껏 관측되지 못했으나, 이번 연구에서는 모든 변수를 정확히 보정하여 2차원 전자가스의 고유 특성을 분석하였다.

- 개발된 분석법을 통해, 결정 방위(원자가 결합한 각도 및 방향)에 따라 2차원 전자가스의 분포와 밀도가 미세하게 변하는 것이 관측되었다. 이는 관측방향에 따라 전자의 에너지 준위가 변하기 때문에 나타나는 양자현상이라고 연구팀은 설명했다.

오상호 교수는 “이 연구는 강자성, 초전도성, 금속-절연체 상전이 등 다양한 양자현상에 기인하는 전자 분포와 밀도 변화를 최초로 직접 관찰해 낸 것”이라며 “지금까지 물리 이론으로 예측되어 온 표면, 계면 전자의 특성을 분석하는 데 활용되어 양자현상과 소자 연구를 연결하는 중요한 역할을 할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 기초연구사업(중견연구), 미공군 아시아오피스(AOARD) 등의 지원으로 수행되었다. 나노분야 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)* 3월호(3월 7일 발간)에 게재되었다. 또한, 미국 위스콘신-메디슨 대학교 엄창범 교수팀과 후속 연구를 진행하여, 2차원 홀가스를 2차원 전자가스로부터 구분하여 이미징하는데도 성공하였으며, 결과는 네이처 머터리얼즈 (Nature Materials) 3월호 (3월 7일 발간)에 동시 발표되었다. 

* 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) : 네이처에서 발행하는 나노분야 최고 권위의 국제학술지. 2010년 창간되었으며 임팩트 팩터(impact factor)는 38.986