아주대학교는 물리학과 임준원 교수 연구팀이 전자의 무게와 상관없이 빛에 동일하게 반응하는 ‘보편적 광전도도 법칙’을 발견하고 이론적으로 규명했다고 15일 밝혔다.
이는 고체물리학계의 오랜 통념을 깬 새로운 형태의 물리법칙으로, 초정밀 양자센서나 차세대 광전자 소자 설계에 새로운 이론적 기반을 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구는 중앙대 김건우 교수, 한양대 김선우 교수, 영국 케임브리지대 바르토메우 몬세라트(Bartomeu Monserrat) 교수, 일본 도쿄대 오창근 박사와 공동으로 진행했다.
기존 고체물리학에선 광전도도(물질에 빛을 비췄을 때 전기가 잘 흐르는 정도)가 전자의 ‘유효 질량(고체 내부에서 전자의 움직임을 결정하는 겉보기 무게)’에 의해 결정된다고 봤다. 진공이나 금속 속 전자의 질량은 모두 같지만, 고체 내부에선 전자가 주변 원자들과 상호작용하기 때문에 외부 힘에 대한 반응이 전자마다 다르다. 반응이 빠르면 유효질량이 작은 가벼운 전자, 반대로 반응이 둔하면 무거운 전자로 이해해 왔다.
그러나 연구팀은 특정 2차원 반금속(포물선형 밴드 접촉 반금속) 시스템에서는 이런 통념이 성립하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 이 시스템에선 광전도도의 세기가 전자의 무게와 무관했다. 오직 전자 파동함수들 사이의 거리인 ‘양자 기하학적 성질’에 의해서만 결정됐다. 다시 말하면, 특정 물질에서는 광전도도가 전자의 유효질량이 아니라 전자 상태들 사이의 ‘배치 방식(양자기하학)’에 의해 결정됐다는 얘기다.
연구팀은 물질 고유의 복잡한 밴드 구조나 전자 질량 정보는 완전히 사라지고, 오직 양자 상태 사이의 최대 거리(dmax)라는 순수 기하학적 성질만 남는 단순한 형태의 보편 수학 공식을 증명해 냈다. 특정 대칭 조건에서는 이 값이 상수로 정확히 고정되는(양자화) 현상도 규명했다.
이는 고체물리학계의 오랜 통념을 깬 새로운 형태의 물리법칙으로, 초정밀 양자센서나 차세대 광전자 소자 설계에 새로운 이론적 기반을 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구는 중앙대 김건우 교수, 한양대 김선우 교수, 영국 케임브리지대 바르토메우 몬세라트(Bartomeu Monserrat) 교수, 일본 도쿄대 오창근 박사와 공동으로 진행했다.
기존 고체물리학에선 광전도도(물질에 빛을 비췄을 때 전기가 잘 흐르는 정도)가 전자의 ‘유효 질량(고체 내부에서 전자의 움직임을 결정하는 겉보기 무게)’에 의해 결정된다고 봤다. 진공이나 금속 속 전자의 질량은 모두 같지만, 고체 내부에선 전자가 주변 원자들과 상호작용하기 때문에 외부 힘에 대한 반응이 전자마다 다르다. 반응이 빠르면 유효질량이 작은 가벼운 전자, 반대로 반응이 둔하면 무거운 전자로 이해해 왔다.
그러나 연구팀은 특정 2차원 반금속(포물선형 밴드 접촉 반금속) 시스템에서는 이런 통념이 성립하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 이 시스템에선 광전도도의 세기가 전자의 무게와 무관했다. 오직 전자 파동함수들 사이의 거리인 ‘양자 기하학적 성질’에 의해서만 결정됐다. 다시 말하면, 특정 물질에서는 광전도도가 전자의 유효질량이 아니라 전자 상태들 사이의 ‘배치 방식(양자기하학)’에 의해 결정됐다는 얘기다.
연구팀은 물질 고유의 복잡한 밴드 구조나 전자 질량 정보는 완전히 사라지고, 오직 양자 상태 사이의 최대 거리(dmax)라는 순수 기하학적 성질만 남는 단순한 형태의 보편 수학 공식을 증명해 냈다. 특정 대칭 조건에서는 이 값이 상수로 정확히 고정되는(양자화) 현상도 규명했다.
연구팀은 이론 유도에 그치지 않고 컴퓨터 시뮬레이션(제일원리 계산)을 통해 실제 물질에서의 검증도 마쳤다. 전자의 질량이 서로 크게 다른 ‘이중층 그래핀’, ‘비스무트(Bi) 단층’, ‘탄화마그네슘(Mg₂C) 단층’ 등 다양한 물질에서 같은 보편 광전도도가 나타나는 것을 증명했다.
특히 꿈의 신소재로 불리는 이중층 그래핀에서 그동안 명확히 규명되지 않았던 보편적 광전도도 현상의 근본 원인이 ‘카이랄 대칭성(거울상 구조의 대칭성)’ 때문이 아니라 양자기하학에 있었다는 새로운 해석을 내놓았다. 카이랄 대칭성은 물리적 성질이 거울을 비춘 것처럼 대칭을 이루면서 동일한 물리 법칙을 유지하는 것을 말한다. 이중층 그래핀에선 전자 에너지 밴드가 특정한 대칭 구조를 가지는데, 그동안은 이런 대칭성 때문에 광전도도가 일정한 행태를 띤다고 설명해 왔다. 그러나 물질의 구조가 더 복잡해지면 대칭 조건이 깨지기 때문에 광전도도가 질량 불변의 보편값이 되는지를 설명하는 데 한계가 있었다.
이번 연구는 차세대 양자·광전자 산업 전반에 큰 영향을 줄 것으로 전망된다. 초저전력 광전자 소자, 초정밀 양자 센서, 차세대 광통신 기술, 양자 정보 플랫폼 등에 필요한 신물질을 설계할 때 핵심 원리로 활용될 수 있다.
기존에는 물질의 양자기하학적 특성을 측정하기 위해 복잡하고 고차원적인 광학 실험이 필요했으나, 연구팀이 제시한 이론을 활용하면 비교적 단순한 빛 측정만으로도 물질 내부의 양자 정보 추출이 가능해진다. 최근 학계에서 주목받는 무아레 물질(무아레 격자가 형성되는 2차원 물질)이나 카고메 금속 등 양자기하학 효과가 강한 물질군의 특성을 분석하는 새로운 실험적 도구가 될 것으로 기대된다.
임준원 교수는 “이번 연구는 양자 상태의 기하학적 구조 자체가 물질의 보편적 성질을 결정할 수 있음을 보여준다”며 “양자기하학이 실제 측정 가능한 보편 물리량으로 연결된다는 점에서 학문적으로 중요한 의미가 있다”고 설명했다.
김선우 교수는 “이번 연구 성과는 서로 전혀 다른 물질들이 동일한 양자기하학적 법칙 아래 놓일 수 있음을 보여준다”며 “양자기하학이 개별 물질을 넘어 다양한 양자 현상을 관통하는 새로운 보편 언어가 될 가능성을 제시했다”고 덧붙였다.
이번 연구 논문은 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 세계적 학술지 ‘사이언스’의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances·과학 발전)’에 지난 5일 게재됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
특히 꿈의 신소재로 불리는 이중층 그래핀에서 그동안 명확히 규명되지 않았던 보편적 광전도도 현상의 근본 원인이 ‘카이랄 대칭성(거울상 구조의 대칭성)’ 때문이 아니라 양자기하학에 있었다는 새로운 해석을 내놓았다. 카이랄 대칭성은 물리적 성질이 거울을 비춘 것처럼 대칭을 이루면서 동일한 물리 법칙을 유지하는 것을 말한다. 이중층 그래핀에선 전자 에너지 밴드가 특정한 대칭 구조를 가지는데, 그동안은 이런 대칭성 때문에 광전도도가 일정한 행태를 띤다고 설명해 왔다. 그러나 물질의 구조가 더 복잡해지면 대칭 조건이 깨지기 때문에 광전도도가 질량 불변의 보편값이 되는지를 설명하는 데 한계가 있었다.
이번 연구는 차세대 양자·광전자 산업 전반에 큰 영향을 줄 것으로 전망된다. 초저전력 광전자 소자, 초정밀 양자 센서, 차세대 광통신 기술, 양자 정보 플랫폼 등에 필요한 신물질을 설계할 때 핵심 원리로 활용될 수 있다.
기존에는 물질의 양자기하학적 특성을 측정하기 위해 복잡하고 고차원적인 광학 실험이 필요했으나, 연구팀이 제시한 이론을 활용하면 비교적 단순한 빛 측정만으로도 물질 내부의 양자 정보 추출이 가능해진다. 최근 학계에서 주목받는 무아레 물질(무아레 격자가 형성되는 2차원 물질)이나 카고메 금속 등 양자기하학 효과가 강한 물질군의 특성을 분석하는 새로운 실험적 도구가 될 것으로 기대된다.
임준원 교수는 “이번 연구는 양자 상태의 기하학적 구조 자체가 물질의 보편적 성질을 결정할 수 있음을 보여준다”며 “양자기하학이 실제 측정 가능한 보편 물리량으로 연결된다는 점에서 학문적으로 중요한 의미가 있다”고 설명했다.
김선우 교수는 “이번 연구 성과는 서로 전혀 다른 물질들이 동일한 양자기하학적 법칙 아래 놓일 수 있음을 보여준다”며 “양자기하학이 개별 물질을 넘어 다양한 양자 현상을 관통하는 새로운 보편 언어가 될 가능성을 제시했다”고 덧붙였다.
이번 연구 논문은 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 세계적 학술지 ‘사이언스’의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances·과학 발전)’에 지난 5일 게재됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.