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물리 임준원 교수팀, 20년 통념 깬 새로운 위상 보호 이론 제시

아주대학교 연구진이 지난 20여 년 동안 물리학계에서 전제로 받아들여져 온 핵심 가정을 뒤집는 새로운 이론을 제시했다. 임준원 아주대 교수(물리학과, 위 사진 왼쪽) 연구팀은 위상물리학 분야의 새로운 보호 메커니즘을 이론적으로 정립하고, 실제 물질에서도 구현해 낼 수 있음을 보였다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘국소 지원 대칭과 파괴적 간섭을 통한 위상적 보호(Topological Protection by Local Support Symmetry and Destructive Interference)’라는 제목으로 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2월호에 게재됐다. 연구에는 미국 프린스턴대 B. 안드레이 버네빅(B. Andrei Bernevig, 위 사진 오른쪽) 교수(물리학과), 건국대 이훈경 교수(물리학과), 홍익대 김세중 교수(전자공학전공) 연구팀이 함께 참여했다. 2016년 노벨물리학상*을 받은 주제이기도 한 위상물리학(Topological Physics)은 수학의 위상(位相) 개념이 물리학에 적용된 것으로, 물질의 형태가 변해도 바뀌지 않는 고유한 기하학적 성질을 활용해 물질의 상태와 물성을 연구하는 분야다. 일례로, 위상 개념에서는 도넛과 컵을 하나의 형태로 본다. 실제 모양, 부피나 크기 등과는 관계없이 ‘구멍이 하나’라는 위상적 특성만을 생각해서다. 위상물리학은 기존의 방식과 다른 위상수학적 접근법을 통해 더 근원적이고 세부적으로 기존 물질과 다른 특이한 물성을 파악할 수 있게 한다는 점에서, 최근 20여 년 동안 고체 물리학에서 가장 주목받아 온 분야다. 독특한 특성을 가진 여러 별난 물질을 발굴함으로써, 양자 컴퓨터와 같이 아직은 미지의 영역인 첨단 분야의 소재로 활용할 수 있다는 기대가 있어서다. 위상물리학의 개념을 물질에 적용한 위상물질(Topological Mater)의 특성은 그동안 학계에서 ‘대칭이 물질 전체에 걸쳐 존재해야만 안정적으로 유지된다’라는 전제 위에서 이해되어왔다. 대칭이 조금이라도 깨지면 밴드 교차점이 사라지거나 위상적 특성이 무너진다고 본 것. 그러나 실제 물질에서는 불순물, 흡착 원자, 계면 효과 등으로 인해 이러한 대칭이 쉽게 깨진다. 이 때문에 이론적으로는 가능해 보여도 현실 물질에서는 위상적 특성이 얼마나 안정한지 설명하기 어려운 경우가 많았다. 아주대 공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 물질을 두 부분으로 나누어 바라보는 새로운 관점을 제시했다. 연구팀은 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. 이 경우 전체 물질 차원에서는 대칭이 깨져 있어도, 실제 전자 상태는 사실상 대칭이 보존된 부분만을 ‘느끼게’ 되고, 그 결과 위상적 성질이나 밴드 교차점이 그대로 보호될 수 있다는 것이다. 연구팀은 이러한 메커니즘을 ‘국소 지지 대칭(Local Support Symmetry)’ 보호 원리로 정의하고, 이를 일반적인 이론 틀로 정리했다. 이 틀을 이용하면 위상 절연체의 Z2 위상수와 같은 위상 지표가 어떻게 유지되는지, 또 디랙(Dirac) 점과 같은 밴드 교차가 왜 쉽게 사라지지 않는지를 하나의 공통된 언어로 설명할 수 있다. 연구팀은 또한 단순한 이론 제안에 그치지 않고, 여러 모형 계산을 통해 국소 시간반전 대칭이나 회전 대칭에 의해 보호되는 위상 상태와 밴드 교차점을 구체적으로 구현했다. 더 나아가, 최근 주목받고 있는 2차원 탄소 소재인 바이페닐렌 네트워크에 플루오린을 주기적으로 흡착시킨 구조를 예로 들어, 전체 대칭이 깨져 있음에도 특정 방향에서 디랙형 분산이 거의 유지되는 현상을 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 확인했다. 이는 연구팀의 이론이 실제 물질 설계와 해석에도 적용될 수 있음을 보여주는 사례다. 아주대 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. 이어 “앞으로는 국소 대칭과 파동 간섭을 활용해 보다 강인한 위상물질과 양자 소자를 설계하는 연구로 확장해 나갈 계획”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. * 2016년 노벨물리학상 영국 출신의 미국 물리학자인 데이비드 사울레스(David J. Thouless), F. 덩컨 M. 홀데인(F. Duncan M. Haldane), J. 마이클 코스털리츠(J. Michael Kosterlitz) 3명은 2016년 노벨물리학상을 받았다. 이들은 수학에서 사용해온 위상(位相) 개념을 물리학에 적용, ‘이전까지는 알려지지 않은 물질의 세계로 향하는 문을 열었다’라는 평가를 받았다. 이들은 기존에 전자구조만을 이용해 도체와 부도체로 물질을 분류하던 패러다임을 넘어서서 파동함수의 위상학적 구조를 통해 더욱 상세한 물질 분류법을 제시했으며, 위상학적으로 보호되는 표면 상태의 강인함은 물리학뿐만 아니라 전자공학의 발전 가능성을 한층 넓혔다는 평가를 받는다. 아주대 공동 연구팀은 ‘대칭이 물질 전체에 걸쳐 존재해야만 안정적으로 유지된다’라는 위상물리학의 기존 관점을 뒤집어 새로운 시각에서 설명해냈다. 연구팀은 물질을 두 부분으로 나누어 분석, 전체 물질 차원에서 대칭이 깨져 있더라도 실제 전자 상태는 사실상 대칭이 보존된 부분만을 느끼게 됨으로써, 위상적 성질이 그대로 보호될 수 있음을 규명해냈다. 이러한 ‘국소지지 대칭’ 개념은 양자 컴퓨터와 같이 아직은 미지의 영역인 첨단 분야의 소재 설계에 활용될 수 있다.

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‘2026 첨단산업 인재양성 부트캠프’ AI 분야 선정

- 대학·기업 공동으로 단기 집중교육 개발 및 운영 - 앞으로 5년 총 71억 상당 재정 지원 아주대학교가 교육부·한국산업기술진흥원이 주관하는 ‘2026년 첨단산업 인재양성 부트캠프’ 인공지능(AI) 분야 운영 대학으로 최종 선정됐다. 이에 학교는 앞으로 5년 동안 총 71억2500만원의 재정 지원을 받아 실전형 인공지능(AI) 인재 양성에 나선다. ‘첨단산업 인재양성 부트캠프’는 대학과 기업이 공동으로 1년 이내의 단기 집중교육을 개발·운영해 실무 역량을 갖춘 첨단 인재를 양성하는 사업이다. 지난해 반도체와 이차전지 등 7개 분야에서 47개교를 지원한 데 이어 올해에는 ▲인공지능(AI) ▲로봇 ▲미래차 부문에서 41개 대학이 선정됐다. 우리 학교는 인공지능(AI) 분야 경기·인천 권역에서 참여 대학으로 선정됐다. 최종 선정된 대학은 참여 기업과 함께 앞으로 총 5년 동안 연간 14억2500만원씩 총 71억2500만원 상당의 재정 지원을 받는다. 이를 기반으로 ▲직무 분석 및 교과목 개발 참여 ▲교과목 공동 운영 ▲현장실습 운영 등을 진행한다. 이러한 교육 프로그램을 이수한 학생은 소단위 학위(마이크로 디그리) 인증을 받아 사회 진출 등에 활용할 수 있다. 아주대는 <아주 ACE AI부트캠프 사업단>을 신설하고, 올 9월부터 5개의 맞춤형 마이크로 학위 과정을 본격 운영한다. 학교에서는 소프트웨어융합대학, 첨단ICT융합대학, 공과대학 소속의 총 8개 학과가 참여한다. 구글클라우드, AWS, KT 등 30개 기업이 함께 참여해 직무 분석 및 교과목 개발에 나서고, 교과목 공동 운영과 현장실습 등을 통해 수준별 단기 집중 교육과정을 운영할 계획이다. 아울러 교육 이수자에게는 인공지능(AI) 자격증 취득을 지원하고, 중·고급 과정 이수 시 최대 150만 원의 장학금을 지급하는 등 다양한 혜택을 제공한다. 더불어 타 대학(군산대, 창원대, 한밭대)과의 업무협약을 통해 개방형 협력 네트워크도 구축할 예정이다. 이번 사업의 총괄을 맡은 최영준 교수(소프트웨어학과)는 “이번 사업 선정은 아주대가 AI 융합 분야에서 최고 수준의 실무 교육을 제공할 역량이 있음을 인정받은 결과”라며 “글로벌 빅테크 기업을 비롯한 현장과의 긴밀한 협력을 통해 산업체에 즉각 투입 가능한 자기주도적 AI 핵심 인재를 양성하는 데 최선을 다하겠다”라고 밝혔다.

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통일부 '지역통일교육센터' 운영기관 재선정

아주대학교가 통일부 국립평화통일민주교육원이 선정하는 ‘지역통일교육센터’ 운영기관으로 재선정됐다. 아주대학교는 지난 2016년부터 이 사업의 운영기관으로써 경기 남부와 인천 지역을 아우르는 지역통일교육센터를 운영해왔다. 통일부 국립평화통일민주교육원은 2026년 지역통일교육센터 지정 공모에서 아주대학교가 경인통일교육센터로 재선정되었다고 밝혔다. 통일부는 이번 공모에 참여한 25개 대학 및 민간단체를 심사해, 아주대를 비롯한 6개 기관을 재선정하고 4개 기관을 신규 선정했다. 통일부는 지난 2004년부터 지역사회 중심의 통일교육을 활성화하기 위해 지역 내의 역량 있는 기관을 지역통일교육센터로 지정해 운영하고 있다. 이번에 선정된 10곳의 지역통일교육센터는 오는 2028년 2월까지 2년간 지역 사회에서 여러 통일 교육을 수행하게 된다. 아주대 경인통일교육센터는 통일 교육 주간의 시민 참여 축제를 시작으로, 앞으로 2년간 지역 주민 대상 평화·통일·민주시민 교육을 위한 ▲시민대학 ▲통일강좌 ▲체험학습 ▲대학생기자단 운영 등을 활발히 진행할 계획이다. 아주대는 아주통일연구소(소장 강신구)의 축적된 역량을 기반으로 지난 2016년부터 통일부 지역통일교육센터 사업에 참여해왔다. 경기남부통일교육센터를 운영하던 아주대는 통일부가 2020년 센터를 경기·인천 지역 전반을 아우르는 경인통일교육센터로 확대 개편함에 따라, 지난 6년 동안 경인통일교육센터에서 다양한 교육 프로그램과 체험 활동을 주관해왔다. 아주대 운영 경인통일교육센터는 연간 사업성과 평가에서 2024년과 2025년 2년 연속 종합 1위에 오른 바 있다. # 아주통일연구소 홈페이지 바로가기