UNIST·독일연구진 “이황화탄탈럼은 부도체” 40년 학계논란 종결

'도체냐 부도체냐' 물리학계 논란 새로운 계산법으로 입증

울산과학기술원(UNIST)과 독일 막스프랑크 물질구조동력학연구소(Max Plank Institute of the Structural dynamics of matter) 공동연구진이 이황화탄탈럼(TaS2)이 부도체임을 입증해 40년 묵은 물리학계의 논란을 종결했다.

16일 UNIST에 따르면 물리학과 박노정 교수팀과 막스프랑크 연구진이 이황화탄탈럼의 전기전도도 이론 예측에 쓰이는 계산법을 실제로 적용하는 데 간과됐던 오류를 발견, 새로운 계산법을 통해 이 물질이 절대온도 200K(캘빈)에서는 부도체 상태로 존재한다는 것을 밝혀냈다.

이황화탄탈럼은 특이하게 상온에서는 전기가 잘 흐르는 도체이지만, 절대온도 200K 이하에서는 전기가 안 통하는 부도체로 바뀐다.

그동안 이론 물리학자들은 양자역학에 기반한 이론 예측값을 근거로 절대온도 200K 이하에서도 이 물질은 도체라고 주장해왔다.

공동연구진은 밀도범함수이론(Density functional theory)의 계산 오류를 줄이는 과정에서 ‘전하밀도파’ 상태가 제대로 고려되지 않았음을 발견했다.

밀도범함수이론은 전자의 위치와 밀도를 알 수 있는 양자역학 이론 계산법이다.

전자의 흐름인 전기전도도 또한 이를 통해 예측할 수 있다.

이 이론은 수많은 전자를 하나의 입자계로 가정하는 단순화를 거친 것이라 계산 오차를 줄이기 위해서는 또 다른 계산법을 접목하는 과정이 필요하다.

그러나 이 과정에서 40여 개 원자가 하나처럼 움직이는 전하밀도파 상태가 제대로 고려되지 않은 것이 오류의 원인이 된 것으로 공동연구진은 파악했다.

이를 수정해 계산하면 이황화탄탈럼은 절대온도 200K에서 특수 부도체인 모트(Mot) 부도체 상태다.

일반 부도체를 전자가 움직이는 길 자체가 없는 물질에 비유한다면, 모트 부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 징검다리처럼 생긴 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질이라고 공동연구진은 설명했다.

박노정 교수는 “이번 연구는 수많은 전자 간의 상관관계에 따른 물질 변화를 밝히는 양자역학 계산법의 진전”이라며 “다양한 상전이 물질의 특성을 이해하고, 온도 등 주변 환경에 민감하게 반응하는 상전이 특성을 기반으로 한 센서나 전자 기기 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 물리학 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)에 13일 자로 온라인 공개됐다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받았다.

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