포스텍, 칼코젠 화합물 나선성 전하 밀도파 메커니즘 세계 최초 규명

전이금속 칼코겐화합물의 결정 구조와 전하 밀도파. (자료제공: 포스텍)

포스텍(POSTECH, 총장 김성근)은 물리학과 김범준 교수, 통합과정 김광래·김현우·하승혁 씨 연구팀이 김기석 교수, 복진모 연구원 연구팀과의 공동 연구를 통해 전이금속 칼코겐화합물에서 ‘나선성 전하 밀도파(Chiral Charge Density Wave, CDW)’ 현상을 관측하고, 그 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 11월 18일 밝혔다. 

나선성(Chirality)은 물체가 자기 거울상과 대칭되지 않고 구별되는 현상이다. 이는 전자 등의 입자 배치와 상호작용에 영향을 미치며, 양자 컴퓨팅의 속도를 획기적으로 높일 수 있어 스마트폰과 컴퓨터, 자동차 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것으로 기대된다. 그러나, 아원자 수준부터 생명체에 이르기까지 자연계에서 널리 존재하는 나선성의 형성 원리는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

이번 연구는 타이타늄(Ti)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 1T-TiSe₂(원티-타이타늄 셀레늄 투)라는 전이금속 칼코겐화합물(TMDs)에서 나타나는 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘의 상호작용을 규명하려는 시도에서 시작됐다. 이 두 현상은 전자의 움직임과 원자 진동, 그리고 구조 변화에 대한 중요한 정보를 제공한다.

연구팀은 자체 개발한 라만 분광 장비와 미국 아르곤연구소와 함께 수행한 빛의 비탄성 산란 실험을 통해 물질 내 원자들의 진동을 추적하고, 나선성 구조가 형성되는 과정을 세밀하게 분석했다. 연구에 따르면, 전자가 재배치되면서 전하 밀도파가 발생할 때 원자들은 새로운 위치로 이동하여 결정 구조가 변화하게 된다. 이 원자들의 움직임은 특정 형태의 진동이 고정되는 현상으로, 다양한 원자 진동을 관측함으로써 미세한 구조 변화를 포착할 수 있다.

이 과정에서 연구팀은 기존에 알려진 것과 달리 원자 진동을 지배하는 대칭성과 전하 밀도의 대칭성이 근본적으로 다르다는 사실을 발견했다. 그동안 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘이 동일한 대칭성을 가진다고 알려졌지만, 실제로는 이 두 현상이 서로 영향을 주고받으면서도 각기 다른 대칭성을 따랐다. 

이 대칭성의 불일치를 해결하기 위한 원자들의 추가 진동으로 인해 구조적 변화가 일어나며, 그 결과 모든 대칭성이 깨져 ’나선성 구조‘가 형성됐다. 두 현상 간 대칭성의 차이가 나선성 구조 발현 메커니즘의 핵심이었던 것이다.

연구를 이끈 김범준 교수는 “1976년 1T-TiSe₂의 결정 구조가 처음 보고된 이후, 이 물질에서 나선성이 발현된 최초의 실험적 증거를 찾았다”라며 “이번 연구는 향후 양자 물질 설계에 중요한 기반이 될 것”이라고 연구의 의의를 전했다.

이번 연구는 기초과학연구원, 재단법인 삼성미래기술육성재단 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 물리학계 권위 학술지 ‘네이처 피직스(Nature physics)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]