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미지의 물질 세계
‘토폴로지’ 탐사대

토플로지물질 연구센터(포스텍, 선도연구센터(SRC))

토폴로지(topology)는 물체의 모양을 바꿀 때 변하지 않는 물체의 공간적 성질을 탐구하는 수학의 한 학문 분야입니다.
일반적인 도형과 공간 개념으로는 이해가 쉽지 않은 이 수학이론은 물리학과 결합하며 혁신적인 물질 상태의 발견과
응용에 새로운 지평을 열고 있습니다. 2016년 노벨물리학상을 통해 대중에게 이름이 알려지기 시작한 이 첨단 물성연구분야는
국내에서도 이미 한국연구재단의 지원 아래 세계적인 수준의 연구가 진행되고 있습니다.
이공계 선도연구센터(SRC)인 ‘토폴로지 물질 연구센터’를 중심으로 말이지요.

전자띠 공간이 보이는 새로운 물리현상

이후종

토폴로지 물질

연구센터장

대개의 물질은 온도의 변화에 따라 고체, 액체, 기체 등으로 상태를 바꾸는데
이는 물질이 가지는 원자의 공간적인 배열과 관련이 있습니다.
토폴로지 물성은 실공간이 아닌 전자의 모멘텀과 에너지로 이루어진 전자띠
공간에서 물질이 보이는 전자의 상태에 따라 달라집니다.
실공간에서 토폴로지 특성은 물체의 형태를 찢거나 자르지 않고 연속적으로
바꿀 때 변하지 않는 특성이 무엇이냐를 따지게 됩니다.
즉, 둥근 모양의 밀가루 반죽을 아무리 늘이거나 구부려도 도넛 모양을 만들 수
없으며 반죽을 찢어 구멍을 내야만 비로소 도넛 모양이 만들어지지요.
따라서 구멍이 없는 반죽과 도넛은 서로 다른 토폴로지 상태에 있는 것입니다.
그러나 도넛과 손잡이가 달린 머그컵은 그걸 구성하는 재질이나 세세한 모양에
관계없이 구멍이 하나 있다는 점에서 같은 토폴로지 상태에 있다고 보는 것입니다.
토폴로지 물질의 특이 물성 차이는 실공간이 아닌 전자띠 공간에서
전자가 가지는 토폴로지 상태의 차이에서 나오는 것입니다.
이런 토폴로지 특이 물성은 최근까지 미지의 영역이었는데
이제 빠른 속도로 그 실체가 밝혀지고 있어요.
이를 이해하고 제어할 수 있게 되면 재료과학과 전자산업, 정보통신
분야에서 이전과 전혀 다른 새로운 혁신이 일어날 수 있습니다.

토폴로지 물질 연구센터는 지난 2011년 출범했습니다. 이후종 포스텍 물리학과 교수를 중심으로 모인 11명의 물성물리 전문가들은 각각 위상물질의 디자인과 생성, 토폴로지 물성의 변조와 제어, 토폴로지 양자소자의 구현과 특성 규명의 3총괄 체제로 역할을 분담하고 토폴로지 물성 집단연구와 신진 전문가 양성에 나섰습니다.

초기의 연구 목표는 위상부도체로 대표되는 토폴로지 물질과 그래핀의 물성을 탐구하는 것이었습니다. ‘위상부도체’는 스핀과 궤도의 상호작용이 강해 통상적인 부도체와 달리 전자의 원자가띠가 전도띠보다 더 높은 에너지를 갖게 되는데, 그 결과 내부는 전기가 통하지 않는 부도체 상태인데 반해 표면에는 항상 전기가 잘 통하는 도체 상태가 얇게 형성되는 물질입니다.

“이런 토폴로지 물질의 특이 물성 탐색에서 국내외적으로 인지도가 상당히 높은 연구실적들을 올릴 수 있었고요, 최근에는 연구의 대상이 바일 준금속(Weyl semimetal)과 2차원 반데르발스 물질 등이 보이는 위상학적 특성 연구로 점차 확대되고 있습니다.”

2015년까지의 1단계 연구에서 새로운 위상 물질 발굴과 함께 세계 최고 수준의 위상부도체 단결정과 박막 생성, 위상물질 강자성 접합의 스핀 수송 특성 등을 규명하는 데 성공한 연구진의 논문은 <네이처 머터리얼스>, <네이처 피직스>, <네이처 나노테크놀로지>, <피지컬 리뷰 레터스>와 <나노 레터스> 등 국내외에서 인지도가 높은 특급 저널을 연이어 장식했습니다.

SRC 7년 만에 국제 중심 무대에

단계평가에서 평가대상 센터 중 가장 높은 A등급 평가를 받으며 2단계 연구에 안착한 토폴로지 물질 연구센터는 더욱 도전적인 연구 목표를 세웠습니다. 복합 접합소자를 이용해 토폴로지 물질의 핵심 물성을 검증하는 고도의 심화연구에 돌입했던 것입니다. 2단계 연구기간은 전 단계에 비해 짧은 3년이었지만 특급 논문의 수와 임팩트 팩터 지수는 1단계보다 오히려 월등히 높은 성과를 거두었습니다.

1, 2단계 연구에서 SCI급 논문 게재는 218편에 달했는데 이중 물리 분야 최정상급 학술지에 게재된 논문이 56편, JCR 2% 이내의 물성관련 전분야 특급 저널의 게재 논문도 13편이나 됐습니다.

대표적인 연구로는 지난 30 여 년 간 이론으로만 예측됐을 뿐 실제로는 구현되지 못했던 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’을 세계 최초로 구현한 것입니다. 얇은 그래핀 단원자 층을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣어 수직 형태의 초단간극 탄도성 조셉슨접합을 실현한 것이지요. 곧이어 꿈의 신소재로 불리지만 전류제어의 어려움으로 실제 전도소자로 활용하는 데 근본적인 한계를 가지고 있던 ‘그래핀’에서 카이랄 전도와 제어에 새 길을 제시하기도 했습니다.

카이랄(chiral)은 손을 뜻하는 그리스어에서 유래한 말입니다. 왼손과 오른손처럼 서로 겹칠 수 없는 거울상의 대칭을 의미하는데요. 토폴로지 물질 연구센터는 국내 연구진이 발견한 새로운 위상학적 상태인 카이랄 솔리톤을 통해 2017년 신개념 정보처리기술인 솔리트로닉스(solitronics)의 가능성을 열었습니다.

그래핀과 비슷한 구조이면서도 탄소 대신 철 원자를 구성원소로 하는 새로운 토폴로지 물질의 합성에도 성공했습니다. 위상 강자성체 (topological ferromagnet)로 불리는 이 물질은 양자역학적인 자기장의 효과가 강하게 나타나 차세대 고감도 자성센서나 스핀 정보소자 개발로 이어질 가능성이 높습니다.

“이제 더 큰 미래로 퀀텀점프”

핵심연구원들의 수상도 이어졌습니다. 센터 설립 당시 조교수급 신진 연구원으로 영입된 송영재 교수가 포스코청암재단 신진교수 펠로우를 수상(2014)하며 첫 테이프를 끊은 이래 김준성 교수(한국물리학회 신진연구자상), 이후종 센터장(한국물리학회 성봉물리학상), 정윤희 교수( ATPC significant contribution award), 이현우 교수(대한민국학술원상) 등의 수상이 국내외에서 이어졌습니다.

이후종 센터장은 “설립 당시에는 규모도 크지 않은 상태에서 목표를 너무 크게 잡지 않았나 하는 우려도 있었다”면서 “하지만 1단계의 수준 높은 연구성과들에 이어 2단계에서 더욱 심화된 결과들로 세계적인 주목을 받으며 연구진 모두 큰 자신감을 갖게 됐다”고 말합니다.

하지만 토폴로지 물질 연구센터가 걸어온 지난 7년간의 행보에서 더 주목할 점은 알려진 것보다 모르는 게 더 많은 미지의 토폴로지 양자 세계로 함께 여행할 신진 연구자들을 39명이나 배출해냈다는 점입니다.

이 센터장은 “양자 세계의 탐구와 제어가 무척 어렵고 도전적인 분야임에도 불구하고 연구진과 학생들 모두 스스로 동기부여를 잘 하는 편”이라며 그 이유가 “물성물리의 최전선을 개척하고 있다는 자부심 때문”이라고 말합니다.

토폴로지 물질 연구센터는 지난해 여름, 7년간의 선도연구센터 지원사업을 마무리하는 평가 자리에서 대상 과제 중 최상위 평가를 받으며 다시 2021년까지 3년의 연구기간을 보장받게 되었습니다.

이후종 센터장은 “토폴로지 물성과 물질 연구가 양자소자로 발전하기까지는 아직 갈 길이 멀지만 양자 세계의 더 깊은 이해를 통해 우리 연구센터가 인류의 물성에 대한 지평을 넓히는 데 더 큰 공헌을 할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 다짐하고 있는데요. 이제 또 다른 탐사의 단계로 나아가고 있는 토폴로지 물질 연구센터가 양자의 퀀텀점프처럼 대도약의 순간과 마주하게 되기를 기원합니다.

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