UNIST·독일 연구진, 이황화탄탈럼 물질 절대온도서 부도체성 이론 입증

양자역학 계산법 진전 평가..센서·메모리 등 개발 기대

UNIST 물리학과 마무트 오카야이 연구원(왼쪽), 박노정 교수.(UNIST 제공) © 뉴스1

(울산=뉴스1) 이윤기 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 물리학과 박노정 교수팀과 독일 막스프랑크 연구진이 이황화탄탈럼(TaS2)의 전기전도도 이론 예측의 새로운 계산법을 통해 이 물질이 절대온도 200K(캘빈)에서는 부도체 상태로 존재함을 밝혀냈다고 16일 밝혔다.

TaS2은 특이하게 상온에서는 전기가 잘 흐르는 도체지만 절도온도 200K 이하에서는 전기가 안 통하는 부도체로 바뀐(상전이물질)다. 하지만 이론물리학자들은 양자역학에 기반한 이론예측값을 근거로 절대온도 200K 이하에서도 이 물질은 도체라고 주장해왔다.

절대온도 200K, 즉 영하 73.15도 이하에서 측정된 전기전도도는 얼마든지 틀릴 수 있기 때문에 이론물리학자들의 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 특수부도체인 모트(Mott)부도체 상태에 있다.

일반부도체를 전자가 움직이는 길 자체가 없는 물질로 비유한다면, 모트부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 징검다리처럼 생긴 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질이다.

박노정 교수는 “이번 연구는 고체를 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, 전자기기를 개발하는 데도 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 독일 막스프랑크 물질구조동력학연구소 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.

UNIST 물리학과를 졸업한 신동빈 박사는 현재 독일 훔볼트 장학재단으로부터 2년간 장학금을 지원받는 훔볼트 연구원 자격으로 막스프랑크 연구소에 재직 중이다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.

bynaeil77@news1.kr