아주대 연구팀, 20년 통념 깬 물리학 이론 제시

[이데일리 신하영 기자] 아주대 연구팀이 20년간의 물리학계 통념을 깬 이론을 제시했다.

임준원 아주대 교수

아주대는 임준원 물리학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 9일 밝혔다.

연구팀은 위상 물리학 분야의 새로운 메커니즘을 이론적으로 정립하고 실제 물질에서 구현할 수 있음을 규명했다. 2016년 노벨물리학상을 받은 물리학 이론인 위상 물리학(Topological Physics)은 수학의 위상(位相) 개념이 물리학에 적용된 것이다. 물질의 형태가 변해도 바뀌지 않는 고유한 기하학적 성질을 활용, 물질의 상태와 물성을 연구하는 분야다.

위상 물리학은 기존의 방식과 다른 위상수학적 접근법을 통해 더 근원적이고 세부적으로 기존 물질과 다른 특이한 물성을 파악할 수 있게 한다는 점에서 지난 20년간 고체 물리학에서 가장 주목받아 온 분야다. 독특한 특성을 가진 여러 별난 물질을 발굴함으로써 양자 컴퓨터와 같이 아직은 미지의 영역인 첨단 분야에서 활용할 수 있다는 기대가 있어서다.

연구팀은 물질을 두 부분으로 나눠 바라보는 새로운 관점을 제시했다. 물질의 한 부분에서는 대칭이 유지되지만, 다른 부분에서는 대칭이 깨져 있는 상황을 가정한 뒤 전자 파동이 어떻게 퍼지는지를 정밀하게 분석했다.

그 결과 특정 조건에서는 전자의 블로흐 파동함수가 ‘파괴적 간섭(destructive interference)’을 일으켜 대칭이 깨진 영역으로는 퍼지지 않고, 대칭이 남아 있는 영역에만 국소적으로 머물 수 있음을 밝혔다. 연구팀은 이러한 메커니즘을 ‘국소 지지 대칭(Local Support Symmetry)’ 보호 원리로 정의하고, 이를 일반적인 이론 틀로 정리했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업 등의 지원을 받아 수행했으며, 미국 프린스턴대 B. 안드레이 버네빅(B. Andrei Bernevig) 교수, 건국대 이훈경 교수, 홍익대 김세중 교수 연구팀이 참여했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지(Nature Communications) 2월호에 게재됐다.

임준원 교수는 “위상적 성질은 반드시 전체 대칭이 있어야만 보호된다는 기존의 통념을 넘어, 부분적인 대칭과 간섭 효과만으로도 충분히 안정화될 수 있음을 보여준 연구”라며 “현실적인 물질 환경에서도 위상적 특성을 설계할 수 있는 새로운 길을 제시한 셈”이라고 밝혔다.