양자역학 계산법 진전으로 평가·센서, 메모리 등 개발 도움....Phys. Rev. Lett.게재

TaS2(이황화탄탈럼)은 도체일까 부도체일까? 물리학계의 40년 묵은 논란이 마침내 종결됐다. 국제 공동연구진이 TaS2이 부도체임을 밝혀냈기 때문이다. 연구팀은 전기전도도를 예측하는 이론의 적용 오류를 수정하면 이 물질이 이론적로도 부도체라는 것을 입증했다. 물리학 권위지인 Physical Review Letters는 이 연구결과를 5월 온라인 공개했다.

UNIST 물리학과 박노정 교수팀과 독일 막스프랑크 연구진은 TaS2의 전기전도도 이론 예측에 쓰이는 계산법을 실제로 적용하는 데 간과됐던 오류를 발견하고, 새로운 계산법을 통해 이 물질이 절대온도 200K(캘빈)에서는 부도체 상태로 존재함을 밝혀냈다.

*절대온도: 물질을 구성하는 분자의 운동에너지가 0이 되는 온도로 물리학의 기준 온도다. 일상에서 쓰이는 섭씨 온도로 환산하면 절대온도 0K는 영하 273.15 도씨(-273.15 ℃) 다.

연구진은 밀도범함수이론의 계산 오류를 줄이는 과정에서 ‘전하밀도파’ 상태가 제대로 고려되지 않았음을 발견했다. 밀도범함수이론은 전자(electron)의 위치와 밀도를 알 수 있는 양자역학 이론 계산법이다. 전자의 흐름인 전기전도도 또한 이를 통해 예측할 수 있다. 하지만 이 이론은 수많은 전자를 하나의 입자계로 가정하는 단순화를 거친 것이라, 계산 오차를 줄이기 위해 또 다른 계산법을 접목하는 과정이 필요하다. 이 과정에 40여개의 원자가 하나처럼 움직이는 전하밀도파(Charge Density Wave) 상태가 제대로 고려되지 않은 것이 오류의 원인이었다.

*밀도범함수이론(Density functional theory): 대중화된 양자역학적 계산법의 하나. 물질 내 전자의 위치와 밀도 등을 예측해 물질의 여러 특성을 알 수 있다. 신소재를 개발할 때, 새로운 조합의 소재가 과연 합성될 수 있을지 미리 예측하는 것도 가능하다.

이를 수정해 계산하면 TaS2은 절대온도 200K에서 특수 부도체인 모트(Mott) 부도체에 상태에 있다. 일반 부도체를 전자가 움직이는 길 자체가 없는 물질로 비유한다면, 모트 부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 징검다리처럼 생긴 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질이다.

*모트 부도체: 해당 개념을 처음으로 제안한 물리학자 Nevill Francis Mott의 이름을 땄다.

센서, 전자 기기를 개발하는 데도 도움

박노정 교수는 “이번 연구는 고체 구성하는 수많은 전자간의 상관관계(강상관계)에 따른 물질 변화를 밝히는 양자역학 계산법의 진전”이라며 “다양한 상전이 물질의 특성을 이해하고, 온도 등 주변 환경에 민감하게 반응하는 상전이 특성을 기반으로 한 센서, 전자 기기를 개발하는 데도 도움이 될 것” 라고 설명했다.

이번 연구는 독일 막스프랑크 물질구조동력학연구소(Max Plank Institute of the Structural dynamics of matter) 안젤로 루비오(Angel Rubio) 소장(Director), 신동빈 박사, 진 짱(Jin Zhang) 박사, 니꼴라 따콘 드젱(Nicolas Tancgone-Dejean)연구원, UNIST 물리학과 마무트 오카야이(Mahmut Okyay) 연구원과 함께 수행됐다.

한편, UNIST 물리학과를 졸업한 신동빈 박사는 현재 독일 훔볼트 장학 재단으로부터 2년간 장학금을 지원받는 훔볼트 연구원 자격으로 막스프랑크 연구소에 재직 중이다.