슈퍼컴퓨터 이론 계산···1차원 형태 '전자화물' 발견

윤미나·김성웅 교수 "화학적 촉매 등 응용 분야 확대할 것"
윤미나 미국 테네시대학 교수(왼쪽)와 김성웅 성균관대 교수(오른쪽).<사진=한국연구재단 제공>윤미나 미국 테네시대학 교수(왼쪽)와 김성웅 성균관대 교수(오른쪽).<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 슈퍼컴퓨터 이론 계산을 통해 미개척 연구 분야인 전자화물 소재의 새로운 형태를 보고했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 윤미나 미국 테네시대학 교수와 김성웅 성균관대 교수 연구팀이 슈퍼컴퓨터의 이론 계산을 통해 1차원 형태의 전자화물을 발견했다고 29일 밝혔다.

전자화물(electride)이란 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하는 신개념 재료를 말한다. 지난 1983년 처음 발견된 이후 현재까지 10여 종만 실제 합성됐다고 보고된 바 있다.

전자가 원소의 최외각 궤도에 위치하는 일반적인 물질과 달리, 전자가 원소들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하는 물질을 전자화물이라고 한다. 전자 배열만으로 물질의 성질이 바뀌므로 기존 소재의 성능 한계를 돌파할 완전히 다른 소재의 개발이 가능하다.

연구팀은 기존에 활용되지 않은 이론 중심의 방법론을 통해 입체 공간에서 1차원적으로 배열돼 존재하는 새로운 형태의 전자화물을 발견했다.

연구팀은 방대한 물질 데이터베이스에서 탐색하는 알고리즘과 제1원리 계산을 효과적으로 수행하는 방법을 접목했다. 제1원리 계산은 양자물리학을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물질의 특성을 계산하는 것을 일컫는다. 여기에는 미국 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터가 이용됐다.

실험 중심의 연구를 벗어나 소재를 먼저 예측할 수 있는 이론적 방법론으로서 계산과학 물질연구개발에 널리 적용될 것으로 전망된다.

연구팀이 발견한 새로운 1차원 전자화물은 안뻔한 전자띠 위상(nontrivial electronic band topology)이라는 새로운 양자상태를 가지고 있다. 물리적으로도 고무적인 발견이다.
 
안뻔한 전자띠 위상은 꼬이는 위상을 가지는 전자띠다. 베리곡률(Berry curvature)의 적분양을 통해서 위상도의 뻔한 정도를 계산할 수 있다. 이런 전자띠를 갖는 물질들은 위상적으로 보호되는 특이한 전자상태를 갖고 있다. 그 상태의 큰 안정성 때문에 양자컴퓨터 등의 기술개발에 혁신적인 이용가치가 있다.  

김성웅 교수는 "지속적이고 선도적인 연구를 통해 새로운 전자화물 소재를 발굴·합성하겠다"라며 "그 물성을 최적화해 전자소재, 자성소재, 화학적 촉매 등으로 응용 분야를 확대해 나갈 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 '미국물리학회지(Physical Review Letters)'에 지난 8일자 논문으로 게재됐다.
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