韓 연구팀, 물리학계 40년 묵은 난제 해결했다

이황화탄탈럼, 절대 온도 이하에선 부도체임을 입증

그림1. (a) TaS2가 저온에서 육각별 모형의 전하밀도파를 형성한 단면. (b) TaS2이 저온상을 도체로 기술하는 기존의 계산방법. (c ) 본 연구에서 밝혀낸 오류를 보정한 후 새롭게 계산해 TaS2가 부도체임을 보여주는 결과. 화살표가 있는 자리에 끊어진 선이 모트(Mott) 부도체성을 나타낸다.

[아시아경제 김봉수 기자] 한국 연구진이 물리학계의 40년 묵은 논란을 해결했다.

울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 박노정 교수팀이 독일 막스프랑크 연구소와 함께 이황화탄탈럼(TaS2)이 도체냐 부도체이냐라는 물리학계의 오랜 숙제를 해결해 부도체(전기가 잘 흐르지 않는 물질)라는 사실을 입증했다고 16일 밝혔다.

TaS2은 지난 40여년간 물리학계의 관심을 끌어 온 물질이다. 작은 온도 변화에도 전도성 및 초전도성에 민감한 변화를 보여 센서, 메모리 등 다양한 응용 가능성이 있기 때문이다. 문제는 절대온도 200도 이하에서 도체인지 부도체 인지에 대한 명확한 결론이 없이 많은 연구결과들이 서로 상반되는 결과를 보인다는 것이었다. 실측 결과에선 부도체로 측정되지만 양자물리학의 표준이론상은 도체로 규정했다. 대체로 전도도를 측정하고 격자구조를 측정해 왔던 연구자들은 TaS2가 저온상이 부도체라고 주장해왔으며, 이론적으로 Mott 부도체일 것이라고 주장했다.

연구진은 양자물리학자들이 전도성 이론에서 사용한 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.

이를 수정해 계산하면 TaS2는 절대온도 200K에서 특수 부도체인 모트(Mott) 부도체에 상태에 있다. 모트 부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 징검다리처럼 생긴 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질을 말한다.

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 연구 결과는 물리학 권위지인 'Physical Review Letters' 13일자 온라인에 공개됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr