[한 토막 과학상식]"이황화탄탈럼은 부도체" 40년 물리학계 논쟁 종결

박노정 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수(오른쪽)와 마무트 오카야이 연구원 연구팀은 독일 막스플랑크연구소와 공동으로 이황화탄탈륨의 이론 예측 오류를 발견하고 영하 73.15도에서 부도체임을 밝혔다. UNIST 제공

이황화탄탈럼(TaS₂)은 물리학자들의 많은 관심을 받았다. 작은 온도 변화에도 전도성과 초전도성에 민감한 변화를 보여 센서나 메모리 등으로 활용될 가능성이 있기 때문이다. 그러나 실험으로는 영하 73.15도 이하에서 전기가 안 통하는 부도체지만 양자역학 이론상으로는 이 온도에서 도체로 예측돼 논란이 이어져 왔다. 낮은 온도에서는 실험으로 측정된 전기전도도가 틀릴 수 있기 때문이다.

엇갈리는 관측 이후 40년이 지나도록 이어져 온 물리학계의 논란은 이황화탄탈럼이 낮은 온도에서 부도체라는 결론으로 끝나게 됐다. 박노정 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수팀과 독일 막스플랑크 물질구조동력학연구소팀은 이황화탄탈럼의 전기전도도 이론 예측에 쓰이는 계산법 적용에서 간과한 오류를 발견했다고 16일 밝혔다. 새로운 계산법을 통해 이 물질이 영하 73.15도에서 부도체임도 밝혀냈다.

연구팀은 밀도범함수이론 계산 오류를 줄이는 과정에서 ‘전하밀도파’ 상태가 고려되지 않았음을 발견했다. 밀도범함수이론은 전자 위치와 밀도를 알아내는 양자역학 이론 계산법이다. 전기전도도를 비롯한 다양한 물성을 알아낼 수 있다. 그러나 수많은 전자를 입자들로 이뤄진 한 시스템으로 보는 단순화를 거친 것이라 계산 오차를 줄이려면 다른 계산법을 접목하는 과정이 필요하다. 이 과정에서 40여 개의 원자가 하나처럼 움직이는 상태를 뜻하는 전하밀도파 상태가 제대로 고려되지 않은 것으로 나타났다.

이황화탄탈럼은 저온에서 육각별 모형의 전하밀도파를 형성한다. 과거에는 이를 간과해 이황화탄탈럼이 저온에서 도체로 추정됐으나(b), 새로 분석한 결과 모트 부도체성(그림 c 내 화살표 자리 끊어진 부분)이 나타나는 것으로 확인됐다. UNIST 제공

이를 수정해 계산해보니 이황화탄탈럼이 200K에서 특수 부도체인 ‘모트’ 부도체 상태에 있는 것으로 나타났다. 일반 부도체는 전자가 움직이는 길 자체가 없는 물질로 비유할 수 있다. 이에 반해 모트 부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질이다.

박 교수는 “이번 연구는 고체를 구성하는 수많은 전자간 상관관계에 따른 물질변화를 밝히는 양자역학 계산법의 진전”이라며 “다양한 상전이 물질의 특성을 이해하고 온도 등 주변 환경에 민감하게 반응하는 상전이 특성을 기반으로 한 센서나 전자 기기를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구결과는 13일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표됐다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]