[미리보는 '금요일에 과학터치'] 그래픽·나노구조체…물질의 성질 왜 중요?

구리산화물계 고온 초전도체의 원자 구조 모형. 연세대 최형준 교수 연구팀 제공

현대 사회의 정보 통신 기술은 전기 신호를 전달하고 제어할 수 있는 물질에 기반을 두고 있다. 이러한 물질의 성질은 물질을 이루는 원자핵과 전자의 운동에 의해 나타나는 것이며, 전자는 원자핵 주위에서 파동으로 움직인다. 전자의 운동 상태를 정밀하게 계산하고 연구하면 그래핀, 나노구조체 등 여러 물질의 전기 전도 특성을 예측할 수 있다.

전기 전도 특성에 따라 물질은 기본적으로 도체, 반도체, 부도체로 분류할 수 있다. 그런데 저온에서 도체의 전기저항이 완전히 사라지는 경우에는 별도로 구분, 초전도체라고 부른다. 초전도 현상은 1911년 오네스에 의해 수은에서 처음 발견된 후 많은 금속에서 관측되었다. 1986년 구리산화물계 화합물, 2001년 MgB, 2008년 FeAs계 화합물에서 초전도 현상이 발견되었다. 각 물질의 초전도성을 이해하기 위해서는 각 물질의 기본적 물성을 세밀하게 파악하고 이를 바탕으로 초전도 이론을 도출하는 것이 매우 중요하다.

연세대학교 물리학과 최형준 교수 연구팀은 2011년부터 교육과학기술부의 리더연구자지원사업 창의적연구사업의 지원으로 '첨단 전자 물성 계산 연구단' 업무를 수행하고 있다. 최형준 교수 연구팀의 연구 분야는 응집 물질 계산 물리학. 자체적으로 보유한 병렬 컴퓨터와 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨팅 센터의 슈퍼컴퓨터를 활용해 밀도범함수 이론에 근거한 제일원리적 계산을 수행하고 있다. 이를 통해 초전도체, 위상 절연체, 나노구조체에서 전자에 의해 발생하는 물리적 특성을 탐구하고 있다.

정밀 계산에 기초한 물성 연구는 물리학의 기본 원리와 측정된 실험 결과를 잇는 다리 역할을 할 뿐만 아니라 실험 결과를 설명하는 이론을 개발하고 새로운 현상과 물성을 예측하는 것이어서 아주 중요하다. 정밀 계산 연구와 기초적 이론 개발 연구를 통해 흥미로운 물리 현상들을 설명하고 예측하는 것이 최 교수 연구팀의 일이다. 특히 최 교수 연구팀은 전자구조 계산 방법론의 발전, 고온 초전도성의 이해, 나노구조체의 물성 예측을 위해 노력하고 있다.

최 교수는 이번 강연에서 응집 물질 계산 물리학의 목적과 대상에 대해 소개하고 응집 물질 물리학의 기초가 된 양자 역학과 많은 입자의 양자 역학, 밀도범함수 이론을 설명한다. 또 물질의 파동성과 슈뢰딩거 방정식, 호헨버그-콘 정리와 콘-샴 방법론을 살펴본다. 국내에서 일반 연구자들에게 제공되는 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터인 KISTI 슈퍼컴퓨팅 센터의 '타키온 II'(Tachyon II)도 소개한다.

탄소 기반 나노 물질 중 하나인 그래핀은 역학적 박피를 통해 쉽게 제작되면서 전세계적으로 활발히 연구되었다. 특히, 그래핀 중에서도 탄화 규소(SiC) 표면을 열처리해 만드는 그래핀에 대한 각분해 광전 효과 실험 결과와 주사 터널링 현미경 실험 결과를 소개하고, 이에 대한 계산 연구 결과를 실험 연구 결과와 비교한다.

초전도성은 도체 속의 전자가 저항을 전혀 받지 않고 흘러가는 성질로서 과학자들의 호기심을 사로잡는 흥미로운 탐구 주제다. 초전도 연구의 역사를 간략히 살펴보고, FeAs 화합물 초전도체의 자기 특성에 대한 실험 결과와 이론 계산 결과를 중점적으로 소개한다.