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고온 초전도체 등 강상관계 물질 전자구조 규명

현대 전자시대 문 연 고체물리학, 전자 속성 밝혀내

고온 초전도체 등 강상관계 물질 전자구조 규명
철 기반 고온 초전도체의 새로운 상태도
[산업일보]
이제는 전기 없는 삶을 상상하기 힘들 만큼 전기는 우리 실생활에서 수많은 사물을 움직이는 원리로 작동하고 있다. 이러한 전기는 전하가 일정 시간 동안 흐른 양을 의미하며 전하는 스핀과 함께 물질의 기본 단위 중 하나인 전자를 이룬다.

전자는 물질의 특성을 결정하기 때문에 어떻게 움직이는지에 따라 전류를 흘려주는 도체 혹은 반도체 등으로 결정된다. 고체 안의 수많은 전자는 대부분 서로 독립적으로 활동하지만, 전자 간의 강한 상호작용을 보이는 ‘강상관계 물질’은 높은 온도에서 전기저항이 없어 전류를 계속 흘릴 수 있는 고온 초전도 현상 등 많은 신비스러운 물성을 보여주는 중요한 물질이다.

과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이하 ‘연구재단’)은 과학기술인상 12월 수상자로 서울대학교 물리천문학부 김창영 교수를 선정했다고 7일 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 김창영 서울대 교수가 전자 간 상호작용이 강한 강상관계 물질의 특이 현상과 그 원리를 규명해 고체물리학 발전에 기여한 공로가 인정됐다고 선정배경을 설명했다. 기존의 일반적 이론으로는 강상관계 물질이 보이는 고온 초전도 현상 등 독특한 성질의 원리와 구조를 설명할 수 없었다.

김창영 물리천문학부 교수는 전자의 스핀-전하 분리 이론 입증, 고온 초전도 현상 통합이론의 기틀 마련, 라쉬바 현상의 원리 규명 등 강상관계 물질 연구의 오랜 난제를 해결해 고체물리학의 진보를 이끌었다.

김창영 교수가 입증․규명한 이론은 강상관계 물질 분야 연구에 꾸준하게 몰입하고 창의적인 실험방법을 활용해 이루어낸 성과이기에 의미가 크다.

김 교수는 구리산화물(SrCuO2)에 관한 20여년의 연구와 광전자 분석 방법을 활용한 독창적인 실험을 통해 스핀과 전하의 분리 현상을 세계 최초로 관측․입증하는 쾌거를 이뤘다. 또한 지속적인 초전도체 연구를 통해 고온 초전도 현상의 통합이론 개발을 위한 단초를 마련하였으며, 저렴하고 다루기 쉬운 철 기반 초전도체의 상용화 가능성을 높였다.

한편, 김창영 교수는 위상절연체 표면 연구를 통해 지난 30여년간 밝히지 못했던 라쉬바 현상의 근본 원리와 이를 설명할 수 있는 새로운 이론과 방정식을 찾아냈으며, 이는 최근 새로운 저장매체로 각광받는 자성메모리 소자 개발에 널리 활용될 것으로 기대된다.

김창영 교수는 “이 연구는 강상관계 물질의 이해를 한 단계 높인 것”이라며 “고온 초전도체의 다양한 후속 연구개발을 활성화하고, 스핀 소자 개발 등에 활용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

다음은 김창영 교수와의 일문일답.
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고온 초전도체 등 강상관계 물질 전자구조 규명
이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.
▲과학기술계의 중요한 상인 이달의 과학기술인상을 받아 영광입니다. 좋아하는 연구를 하면서 상까지 받게 돼 더욱 기쁘고, 이를 계기로 앞으로도 더 중요한 연구를 할 수 있도록 노력하겠습니다. 이번 상은 앞으로 더 잘 하라는 의미로 겸허히 받도록 하겠습니다. 수상에 대한 공은 함께 이번 연구를 진행한 다른 공동 연구자들께 돌리고 싶습니다.

-. 교수님께서 연구하시는 강상관계 물질은 무엇인가요? 이를 주요 연구주제로 선택하신 이유가 궁금합니다.
▲고체의 물성은 대부분 고체 안에 있는 전자의 상태에 의해서 결정됩니다. 보통의 경우 고체 안의 수많은 전자가 서로 독립적으로 활동하지만, 강상관계 물질의 경우 전자 간의 상호작용이 강해 각 전자를 독립적으로 생각할 수 없게 됩니다. 이 경우 이론적으로 이해하기는 어렵지만 고온 초전도 현상, 도체-부도체 전이 및 거대자기저항 등 고체물리의 거의 모든 주요 물리적 현상을 보여줍니다. 이처럼 연구하기는 어렵지만, 재미있고 학문적으로 중요한 물성을 가지고 있어 이 분야를 선택하게 됐습니다.

-. 교수님께서는 30여 년간 물리학계의 난제로 불린 라쉬바 현상의 근본원리를 규명하고, 이를 설명하는 고유의 방정식을 만들어냈습니다. 이에 대한 설명을 부탁드립니다.
▲라쉬바 현상은 고체의 반전 대칭성이 깨질 때 전자의 스핀이 역공간에서 특정한 패턴을 가지는 현상을 말합니다. 위상절연체 및 자성메모리 소자의 구동 원리와 밀접한 관계가 있다고 여겨지고 있으나, 이 현상의 근본원리는 예측된 지 30여 년이 지났음에도 불구하고 정확히 이해되고 있지 않았습니다. 저는 라쉬바 현상이 지금까지 추측된 바와 달리 스핀의 방향이 아니라, 궤도 각운동량에 의해 결정된다는 사실을 알게 됐습니다. 따라서 이러한 현상을 기술하는 새로운 방정식이 필요했고, 이를 만들어낸 것입니다.

-. 라쉬바 현상의 방정식은 현대 산업에 어떠한 영향을 줄 수 있을까요?
▲라쉬바 현상은 사물인터넷 기기의 저장매체로 주목받고 있는 자성메모리 소자의 구동원리인 스핀궤도 토크와 밀접한 관계가 있다고 생각됩니다. 스핀궤도 토크는 자성층과 스핀-궤도 결합이 큰 비자성층을 연결한 구조에 전류를 흘려줄 때 자성층에 발생하는 회전력을 의미하는데, 새로운 방정식이 스핀궤도 토크의 원리를 설명하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 생각합니다. 제가 만들어낸 방정식은 스핀궤도 토크가 큰, 즉 효율성이 높은 자성메모리 소자를 물질을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

-. 한국초전도학회, 방사광 이용자 협회 등 다양한 학회에서 오랫동안 활동해 오셨는데요. 최근 발표된 물리학 분야 연구결과 중에서 교수님의 관심을 끄는 흥미 있는 이슈는 무엇인가요?
▲근래에 위상물질과 이와 관련된 물성에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 이러한 위상학적인 성질은 고체의 대칭성에 의해서 결정됩니다. 지금까지는 대부분의 위상물질에 대한 연구가 전자 간의 상호작용이 작은 물질에서 이루어졌는데, 최근 우리 연구실의 관심사인 강상관계 물질에서의 위상학적인 성질도 많이 연구되고 있어, 이를 관심 있게 살펴보고 있습니다.

-. 연구자로서, 스승으로서 평소 연구실을 운영하는 기본방침이나 철학이 있다면 들려주세요. 더불어 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용도 소개해주세요.
▲연구자는 연구가 재미있어야 합니다. 그리고 연구 영역을 본인이 스스로 개척해 나아가야 합니다. 따라서 저는 평소에 연구실 구성원들이 즐겁고 능동적으로 연구할 수 있는 환경을 만들어 주려고 노력합니다. 대부분의 경우 연구원들이 스스로 결정할 수 있도록 돕는 편입니다. 국내에서는 학생들이 무엇인가를 스스로 개척해 본 경험이 상대적으로 적은 상태로 대학원에 진학하기 때문에, 이러한 점을 주로 강조합니다.

-. 앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가요?
▲이미 이야기한 바와 같이 강상관계 물질들이 많은 재미있는 물리적 현상을 보이는데, 크게 보면 이러한 현상들을 이해하는 것입니다. 구체적으로 보면 가장 큰 목표는 고온초전도 현상의 근본원리 규명입니다. 근본 원리가 밝혀진다면 더 높은 임계 온도를 가진 초전도체도 만들 수 있지 않을까 생각됩니다. 또한, 고체의 위상학적 상태를 보여주는 특성을 실험적으로 측정하는 방법과 지속적인 관련 연구를 위한 세계 최고의 첨단 장비를 개발하고 싶습니다.
변지영 기자 hinomad@kidd.co.kr

안녕하세요. 산업부 변지영 기자입니다. 드론부터 AI, 신소재, 다이캐스팅, 파스너 및 소재부품 산업을 소개해드리겠습니다. 또 신선하고 유익한 국제 산업 동향을 생생한 현장 영상으로 전달해드리겠습니다.

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