응용물리학과 최석호 고황명예교수 연구팀
이론으로만 존재하던 현상, 위상준금속 플라즈마 진동수 측정해 입증

응용물리학과 최석호 고황명예교수 연구팀이 세계 최초로 위상준금속(Topological semimetal)*에서 플라즈마 진동수를 직접 측정해 ‘리프시츠 상전이(Lifshitz transition)’의 원리를 규명했다. 플라즈마 진동이 위상적 전자구조의 변화와 직접 연결됨을 제시해 향후 양자물질 연구의 새로운 측정 패러다임을 제시했다.

두께 조절만으로 물질의 위상적 특성이 근본적으로 달라질 수 있음 발견

리프시츠 상전이는 물질 내부의 전자 띠 구조가 변화하면서 페르미 표면의 위상이 바뀌는 현상으로 자성체, 초전도체, 위상물질 등 양자물질 연구와 블랙홀, 고에너지 분야까지 광범위하게 적용되는 핵심 개념이다. 지금까지 리프시츠 상전이는 간접적으로 관측됐을 뿐 그 현상의 실체가 규명되지 않았다. 리프시츠 상전이는 자성체, 초전도체, 위상물질 등 양자물질 연구와 블랙홀, 고에너지 분야까지 광범위하게 적용되는 중요한 기초 물리현상이다.

최석호 교수 연구팀은 위상준금속의 박막을 2~300nm 범위로 정밀 성장시킨 뒤 테라헤르츠 영역의 광학 측정을 활용해 전자 움직임을 분석했다. 그 결과 박막 두께가 임계 두께인 10nm에 도달할 때 플라즈마 진동수가 최저점을 보이며 전하밀도도 최소가 되는 현상을 관찰했다. 이는 이론적으로만 예측됐던 ‘위상준금속에서 리프시츠 상전이가 일어나는 임계점에서 플라즈마 진동수가 최저점이 된다는 사실’을 광학적 실험으로 세계 최초로 입증한 순간이다.


이번 성과는 이론적 사실을 실험적으로 규명한 점을 넘어 기존의 방법과 위상적 상전이를 집단적 광학 반응으로 관측해 새로운 측정 패러다임을 제시했다는 점에서 중요한 의의를 지닌다. 또한 최석호 교수 연구팀은 그간 진행해 온 일련의 연구를 통해 ‘위상 전이 제어’ → ‘새로운 위상 상태 구현’ → ‘양자효과 실증’이라는 결론을 얻었다.

연구를 진행한 최석호 교수는 “그래핀 이후 차세대 신소재로 주목받는 위상준금속을 실질적 응용까지 나아갈 기반을 마련했다. 3차원에 비해 2차원 위상 준금속은 소형화와 집적화에 유리해 소자 설계 측면에서 매우 유리하다. 이를 통해 고성능 전자, 광전자 소자 개발뿐 아니라 양자컴퓨터 핵심 재료의 진단, 제어, 설계 등 미래 기술의 실현을 앞당길 것으로 기대된다”라며 연구의의를 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업의 지원으로 진행됐으며, 최석호 교수 연구팀을 비롯해 광주과기원, 성균관대, 호주국립대학 연구진이 공동으로 참여했다. 연구 결과가 담긴 논문은 세계적인 학술지 『Materials Today Physics(IF=9.7)』 12월호에 게재됐다.

*위상준금속 : 일반적인 금속, 반도체와는 물질 내부의 전자구조와 움직임이 다른 소재다. 전자가 대칭으로 움직이지 않고 시계 방향 또는 반시계 방향 등 한쪽으로만 움직이거나 외부 자기장에 독특한 반응을 보여 다양한 양자 현상을 탐구하는 데 활용된다.