[한국기술뉴스] 서강대학교(총장 심종혁)는 물리학과 정명화 교수 연구팀(제1저자: 물리학과 이상언 석·박통합과정)의 연구성과가 지난 7월 20일 Proceedings of the National Academy of Sciences(이하 PNAS) 학술지에 게재되었다.

미국 국립과학원에서 발행하는 학술지인 PNAS는 Nature나 Science와 함께 3대 융복합 연구 학술지 중 하나로 잘 알려져 있다. 본 연구는 경북대학교 조연정 교수와 이화여자대학교 강원 교수 연구팀과의 공동연구로 이루어졌으며, 한국연구재단의 중견연구과제 지원으로 수행되었다.

수학적 개념이었던 ‘위상(topology)’은 현재 고체물리학 분야에 활발히 적용되고 있다. 특히 위상 개념을 적용하여 밝혀진 물질인 위상 부도체(topological insulator)가 양자 컴퓨터 등 미래의 핵심 기술에서 중요한 역할을 할 수 있음이 알려지면서 위상 개념을 물질에 적용하는 것의 중요성이 강조되고 있다.

특히 물질 안의 전자가 움직이는 궤도에 위상적 개념을 적용한 ‘궤도 위상(orbit topology)’은 자기장에 따른 물질의 자성이나 저항의 진동하는 현상인 자기양자진동(magnetic quantum oscillations)을 통해 비교적 쉽게 관측할 수 있고, 위상적으로 비자명한(topologically non-trivial)한 물질을 밝혀내는 것에 도움이 되어 큰 관심을 받고 있다.

궤도 위상은 자기양자진동에서 관측되는 베리 위상(Berry phase)으로 설명되어 왔으나, 그러한 설명은 자기장에 의한 물질의 상태 에너지가 갈라지는 제만 효과(Zeeman effect)를 무시할 수 있고 물질의 에너지 갭(energy gap)이 없을 때에만 가능하다. 이러한 제한 조건은 학계에서 명확히 제시되지 않아 연구자들의 혼란을 일으켜 왔다.

정명화 교수 연구팀은 본 연구에서 극저온, 고자기장 실험을 통해 NbSb2 디락 반금속의 자기양자진동을 관측하고 이를 세밀하게 분석하여 궤도 위상을 밝혀낼 수 있었다. 또한 분석 과정에서 베리 위상과 궤도 위상이 같아지는 제한 조건을 명확히 제시하고, 그러한 제한 조건이 없는 일반적인 경우에서도 궤도 위상을 분석할 수 있는 새로운 방법론을 세계 최초로 실험적으로 제시하였다.

정 교수는 “위상적으로 비자명한 물질은 위상 부도체와 같이 미래에 유용하게 사용될 수 있는 특이한 특성을 나타내므로 이를 밝혀내는 것은 기초 과학적인 측면에서나 응용적 측면에서 매우 중요하다”라며 “본 연구는 물질의 위상특성을 탐색하고 숨겨진 물리학적 원리를 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다”고 전했다.