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NEW 물리 임준원 교수팀, 20년 통념 깬 새로운 위상 보호 이론 제시
- 2026-03-09
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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.