[대학저널 임지연 기자] TaS₂(이황화탄탈럼)과 관련된 물리학계의 40년 묵은 논란이 마침내 종결됐다. 국제 공동연구진이 TaS₂이 부도체임을 밝혀냈기 때문이다. 연구팀은 전기전도도를 예측하는 이론의 적용 오류를 수정하면 이 물질이 이론적으로도 부도체라는 것을 입증했다. 물리학 권위지인 'Physical Review Letters'는 이 연구결과를 5월 13일자로 온라인 공개했다.
UNIST(총장 이용훈) 박노정 물리학과 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.
TaS₂은 특이하게 상온에서는 전기가 잘 흐르는 도체지만 절도온도 200K 이하에서는 전기가 안 통하는 부도체로 바뀐(상전이물질)다. 하지만 이론 물리학자들은 양자역학에 기반한 이론예측 값을 근거로 절대온도 200K 이하에서도 이 물질은 도체라고 주장해왔다. 절대온도 200K, 즉 영하 73.15℃ 이하에서 측정된 전기전도도는 얼마든지 틀릴 수 있기 때문에 이론 물리학자들의 견해도 타당했다.
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.
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.
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.
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