‘초대칭이론’으로 설계한 新 물질 나올까

2015.11.24 18:00
박남규 서울대 교수팀, 입자물리학 이론 적용해 결정·비결정 특성 동시에 갖춘 신 물질 설계
박남규 서울대 전기·정보공학부 교수
박남규 서울대 전기·정보공학부 교수
국내 연구진이 입자의 배열이 규칙적인 ‘결정’ 물질의 장점과 규칙적이지 않은 ‘비결정’ 물질의 장점을 모두 갖춘 새로운 물질을 최초로 설계했다.
 
박남규 서울대 전기·정보공학부 교수팀은 입자물리학에서 활용되는 ‘초대칭이론’을 물질 설계에 처음으로 적용해, 결정 물질과 비결정 물질의 장점만을 취한 신개념 물질을 제안했다고 24일 밝혔다.
 
초대칭이론은 모든 입자가 고유한 특성 중 하나인 ‘스핀’ 값을 제외하고 다른 물리적 성질이 같은 짝입자 즉 ‘초입자’를 가진다는 내용을 골자로 한다. 때문에 어떤 입자의 스핀 값을 바꾸더라도 이를 제외한 물리적 성질이 깨지지 않고 그대로 유지될 수 있다는 것이다.
 
연구팀은 천문학의 ‘초끈이론’을 설명하는 데 주로 쓰이던 초대칭이론을 빛이나 전기를 전달해 주는 물질(매질) 설계에 처음으로 적용했다.
 
지금까지 매질은 크게 결정 물질과 비결정 물질로 나뉘었다. 입자가 규칙적으로 배열된 결정 물질은 빛이나 전기 같은 파동에너지의 크기를 주파수로 조절할 수 있다는 장점 덕분에 레이저나 반도체, 태양전지 분야에 다양하게 활용됐다. 하지만 규칙적인 결정 구조 때문에 일정 수준 이상의 강한 에너지를 담긴 어려웠다. 반대로 비결정 물질은 많은 양의 에너지를 압축해 담기에는 좋지만 규칙성이 없어 에너지를 자유자재로 제어하기 어렵다는 한계 때문에 활용성이 떨어졌다.
 
결정 물질의 구조를 초대칭 변환을 통해 무질서하게 바꿔서 얻은 초대칭 무질서 매질. - 박남규 교수 제공
결정 물질의 구조를 초대칭 변환을 통해 무질서하게 바꿔서 얻은 초대칭 무질서 매질. - 박남규 교수 제공
연구팀은 결정 물질의 입자를 수학식을 이용해 함수로 나타내고, ‘초대칭 변환식’을 거쳐 초입자의 함수로 변환했다. 그 결과 규칙적이었던 입자의 배열이 무질서하게 바뀌면서도 결정 물질 고유의 에너지 제어 특성은 그대로 유지된다는 점을 이론적으로 증명해냈다. 
 
이는 에너지의 크기를 조절할 수 있는 결정 물질의 특성과 에너지를 압축할 수 있는 비결정 물질의 특성을 모두 갖춘 물질을 만들 수 있다는 사실을 의미한다.
 
이전까지 결정 물질과 비결정 물질은 서로 상반된 구조와 특성 때문에 둘의 특성을 동시에 갖도록 만드는 것은 불가능하다고 알려져 있었다.
 
박 교수는 “이론 영역에만 머물러 있던 초대칭이론을 광학과 반도체 같은 실용적인 영역으로 끌고 왔다는 점에서 의의가 있다”고 설명했다. 또 그는 “기존의 결정 물질에 초대칭 변환식을 적용하면 원하는 특성을 가진 물질로 설계할 수 있다”며 “이번 연구결과가 레이저나 반도체, 태양전지 분야에서 고성능 신소재를 개발하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
 
연구결과는 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 9월 16일자 온라인판에 실렸다.
 

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