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도체인 듯 부도체인 듯 ‘위상부도체’, 예상보다 훨씬 흔하다

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도체인 듯 부도체인 듯 ‘위상부도체’, 예상보다 훨씬 흔하다

2017.07.23 19:00
네이처 제공
네이처 제공

 

이번 주 ‘네이처’ 표지는 화학 원소의 주기율표가 새겨진 ‘뫼비우스의 띠’가 장식했다. 위상학의 상징인 뫼비우스의 띠는 위상기하학적 성질을 갖는 곡면으로 안과 밖이 구분되지 않는 특징을 갖는다. 두 가지 특성을 모두 갖는 셈이다. 최근 과학자들이 물리학과 화학, 수학을 총동원해 ‘위상물질’에 관한 새로운 사실을 밝혔다.

  

위상물질은 저항 없이 전류가 흐르는 것처럼 전자의 특이한 성질로 인해 양자 컴퓨팅 등 다양한 영역에서 활용 가능성이 높은 것으로 주목 받고 있다. 지난해에는 물질의 위상 전이 비밀을 밝힌 과학자 3명이 노벨물리학상을 수상하기도 했다.

 
배리 브래들린 미국 프린스턴대 이론과학센터 박사후연구원 연구팀은 스페인 바스큐컨트리대, 독일 막스플랑크고체화학물리학연구소, 프랑스 소르본대 등과 공동으로 고체 결정이 위상물질 중 하나인 ‘위상부도체’인지 파악할 수 있는 방법을 발견했다고 ‘네이처’ 20일자에 발표했다.

 

이 방법을 활용하면, 새로운 위상부도체가 될 수 있는 결정의 구조와 화학적 조성 등을 쉽게 예측할 수 있다. 연구진에 따르면 기존 예상보다 위상부도체는 훨씬 흔한 것으로 나타났다. 브래들린 연구원은 “특정 격자 구조에서는 재료가 도체든 부도체든 관계없이 위상 변화가 계속 일어나는 경우도 발견됐다”고 설명했다.

 

위상부도체는 원래는 전기가 통하지 않는 부도체인 물질인데, 위상이 다른 두 물질의 경계상에서 예외적으로 전도성을 갖는 물질이다.

  
현재까지 재료 데이터베이스(DB)에 등록된 20만 개의 물질 중 위상 변화를 일으키는 것으로 알려진 재료는 수백 개에 불과하다. 실제로 위상물질 자체가 적은 것인지, 아니면 발견해내지 못한 것인지는 알기 어렵다.

 

연구진은 약 100년 전의 고체양자이론을 이용해 물질 중 위상부도체를 찾아내는 방법을 고안했다. 고체양자이론은 결정 안에서 전자가 ‘밴드’라고 알려진 특정 에너지 준위에 존재한다고 본다. 이 이론에 따르면, 밴드가 전부 전자로 채워지면 전자는 움직이지 못하고 물질은 부도체가 된다. 반면 일부 공간이 비어있을 경우에는 원자에서 원자로 전자가 이동할 수 있고, 전류를 전달할 수 있다.

 

연구진은 먼저 도체를 제외하고 자연계에 존재하는 모든 부도체 결정의 패턴과 대칭성을 고려해, 가능한 모든 전자 밴드의 구조를 체계적으로 분류했다. 그리고 검색 엔진에서 사용하는 ‘그래프 이론’이라는 수학 이론을 이용해 어떤 밴드 구조에서 위상 변화가 일어나는지 계산해냈다.
 
브래들린 연구원은 “물질의 구조와 전자의 운동량, 에너지 등에 영향을 받는 위상물질의 특이한 양자적 성질은 서로 연결된 밴드로 설명할 수 있다”며 “앞으로 새로운 양자물질을 발견하는 토대가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

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