도체냐 부도체냐? 40년 묵은 물리학계 논란 종결

 

UNIST·막스플랑크연구진.... TaS2 물질 부도체성 이론으로도 입증

2021.05.25 09:00 사이언스타임즈

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• 확대양자역학 계산법 진전으로 평가·센서, 메모리 등 개발 도움….Phys. Rev. Lett.게재
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• TaS2(이황화탄탈럼)은 도체일까 부도체일까? 물리학계의 40년 묵은 논란이 마침내 종결됐다. 국제 공동연구진이 TaS2이 부도체임을 밝혀냈기 때문이다. 연구팀은 전기전도도를 예측하는 이론의 적용 오류를 수정하면 이 물질이 이론적로도 부도체라는 것을 입증했다. 물리학 권위지인 Physical Review Letters는 이 연구결과를 5월 온라인 공개했다.
• UNIST 물리학과 박노정 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.
• *절대온도: 물질을 구성하는 분자의 운동에너지가 0이 되는 온도로 물리학의 기준 온도다. 일상에서 쓰이는 섭씨 온도로 환산하면 절대온도 0K는 영하 273.15 도씨(-273.15 ℃) 다.

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• 이황화탄탈럼의 부도체성 계산 입증. (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. ⓒUNIST
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• 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 원인이었
• *밀도범함수이론(Density functional theory): 대중화된 양자역학적 계산법의 하나. 물질 내 전자의 위치와 밀도 등을 예측해 물질의 여러 특성을 알 수 있다. 신소재를 개발할 때, 새로운 조합의 소재가 과연 합성될 수 있을지 미리 예측하는 것도 가능하다.
• 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.
• *모트 부도체: 해당 개념을 처음으로 제안한 물리학자 Nevill Francis Mott의 이름을 땄다.
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• 센서, 전자 기기를 개발하는 데도 도움
• UNIST 박노정 교수(우)과 마무트 오카야이 연구원(좌) ⓒUNIST
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• 한편, UNIST 물리학과를 졸업한 신동빈 박사는 현재 독일 훔볼트 장학 재단으로부터 2년간 장학금을 지원받는 훔볼트 연구원 자격으로 막스프랑크 연구소에 재직 중이다. 
• 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.
• 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.
  
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  • 저작권자 2021.05.25 ⓒ ScienceTimes
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