아주대 연구팀, 양자기하학 기반 보편적 광전도도 법칙 발견

'전자, 질량 상관 없이 동일한 빛 반응'

차세대 양자소재·광전자소자·양자센서 개발 응용 기대

전자가 가득 찬 밴드(파란색)에서 비어있는 밴드(주황색)로 빛을 흡수한 전자가 이동하면서, 광전도 현상을 보인다. 연구팀은 광전도 특성이 전자의 질량이 아니라 전자 파동함수의 기하학적 성질인 양자거리(quantum distance)에 의해 결정된다는 사실을 밝혀내, 전자가 무거울수록 전류가 잘 흐르지 못할 것이라는 통념이 성립하지 않음을 증명했다. ⓒ아주대 제공

국내외 공동 연구팀이 고체물리학계의 오랜 통념을 깨고, 전자의 무게와 상관없이 빛에 동일하게 반응하는 새로운 형태의 '보편적 광전도도 법칙'을 발견했다.

아주대학교는 물리학과 임준원 교수 연구팀이 중앙대 김건우 교수, 한양대 김선우 교수, 영국 케임브리지대 바르토메우 몬세라트(Bartomeu Monserrat) 교수, 일본 도쿄대 오창근 박사와의 공동 연구를 통해 이 같은 물리 법칙을 이론적으로 규명했다고 15일 밝혔다.

기존 고체물리학에서는 물질에 빛을 비췄을 때 전류가 흐르는 세기(광전도도)가 전자의 '유효 질량(고체 내부에서 전자가 느끼는 겉보기 무게)'에 의해 결정된다고 보았다. 전자가 무거우면 반응이 둔하고, 가벼우면 빠르게 반응한다는 것이 상식이었다.

그러나 연구팀은 특정 2차원 반금속(포물선형 밴드 접촉 반금속) 시스템에서는 이러한 통념이 성립하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 이 시스템에서는 광전도도의 세기가 전자의 무게와 완전히 무관했으며, 오직 전자 파동함수들 사이의 거리인 '양자 기하학적 성질'에 의해서만 결정됐다.

연구팀은 물질 고유의 복잡한 밴드 구조나 전자 질량 정보는 완전히 사라지고, 오직 양자 상태 사이의 최대 거리(dmax)라는 순수 기하학적 성질만 남는 단순한 형태의 보편 수학 공식을 증명해 냈다. 특정 대칭 조건 하에서는 이 값이 상수로 정확히 고정되는(양자화) 현상도 규명했다.

연구팀은 이론 유도에 그치지 않고 컴퓨터 시뮬레이션(제일원리 계산)을 통해 실제 물질에서의 검증도 마쳤다. 전자의 질량이 서로 크게 다른 '이중층 그래핀', '비스무트 단층', '탄화마그네슘 단층' 등 다양한 물질에서 동일한 보편 광전도도가 나타남을 증명했다. 특히 꿈의 신소재로 불리는 이중층 그래핀에서 그동안 명확히 규명되지 않았던 독특한 광학 현상의 근본 원인이 사실은 양자기하학에 있었다는 새로운 해석도 내놓았다.

이번 연구는 차세대 양자 및 광전자 산업 전반에 큰 파급효과를 미칠 것으로 전망된다. 기존에는 물질의 양자기하학적 특성을 측정하기 위해 대단히 복잡하고 고차원적인 광학 실험이 필요했으나, 연구팀이 제시한 이론을 활용하면 비교적 단순한 빛 측정만으로도 물질 내부의 양자 정보 추출이 가능해진다.

이는 향후 초저전력 광전자 소자, 초정밀 양자 센서, 차세대 광통신 기술, 양자 정보 플랫폼 등에 필요한 신물질을 설계할 때 핵심 원리로 활용될 수 있다. 최근 학계에서 주목받는 무아레 물질(무아레 격자가 형성되는 2차원 물질)이나 카고메 금속 등 양자기하학 효과가 강한 물질군의 특성을 분석하는 새로운 실험적 도구가 될 것으로 보인다.

임준원 아주대 교수는 "이번 연구는 전자의 질량이라는 기존 물성의 핵심 개념을 넘어, 양자 상태의 기하학적 구조 자체가 물질의 보편적 성질을 결정할 수 있음을 보여준 결과"라며 "양자기하학이 실제 측정 가능한 보편 물리량으로 연결된다는 점에서 학문적으로 매우 중요한 의미를 가진다"고 설명했다.

공동 연구에 참여한 김선우 한양대 교수는 "서로 전혀 다른 물질들이 동일한 양자기하학적 법칙 아래 놓일 수 있음을 보여준다"며 "양자기하학이 개별 물질을 넘어 다양한 양자 현상을 관통하는 새로운 보편 언어가 될 가능성을 제시했다"고 덧붙였다.

과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 저명 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다. (논문명: Mass-Invariant Universal Optical Conductivity from Quantum Geometry)