무거운 페르미온 형성 비밀, POSTECH 토종 박사가 풀었다

무거운 페르미온 형성 비밀,

         POSTECH 토종 박사가 풀었다

 - 美 럿거스대 심지훈 박사후 연구원, 페르미온 형성과정 규명         

- 사이언스 온라인판 게재… ‘네이처’, ‘사이언스’에 7개월만에 잇달아 연구성과 발표

- 고온초전도체ㆍ새로운 초전도체 제작 연구 등에 활용될 듯

 금속 화합물에서 전자가 1,000배나 무거워지는 중(重)페르미온(heavy fermion)의 형성비밀이 포스텍 출신 토종박사의 손에 의해 밝혀졌다.

 심지훈 박사(沈知勳ㆍ32세/現 미국 럿거스대학 물리학과 박사후연구원)와 미국 럿거스대 연구팀은 극저온에서 일반 전자보다 유효 질량이 100~1,000배 무거워지는 페르미온의 형성을 설명하는 이론을 제시했다.

 이 연구결과는 세계적 과학저널인 사이언스의 온라인판 ‘사이언스 익스프레스(Science Express)’ 1일자를 통해 저널 게재에 앞서 공개됐다. 같은 이론을 적용해 플루토늄의 물성을 규명한 논문을 지난 3월 네이처에서 발표한 바 있는 심 박사는 이번 논문 발표로 7개월 사이에 ‘네이처’와 ‘사이언스’에 잇달아 논문을 게재하는 쾌거를 올렸다.

 페르미온은 전자 등과 같이 반정수 스핀을 갖는 기본 입자를 통칭하는 것으로 양자역학 법칙에 따라 동일한 입자가 같은 자리에 존재하는 것을 거부하는 성질을 가지고 있다. 특히 특정 금속 화합물에서는 극저온일 때 일반 전자에 비해 100~1,000배나 무거운 페르미온을 형성해 비열이나 자성 등에서 특이한 현상을 보인다.

 특히 중 페르미온 전도체는 양자컴퓨터 등에 활용되는 고온초전도체와 그 성질이 유사한 것으로 알려져 고온초전도체 개발 연구와 함께 최근 활발하게 연구되고 있다. 그러나 기존의 이론 연구는 실제 물질의 복잡한 물리 현상을 충분히 고려할 수 없어  페르미온의 광전도도(光傳導度)* 실험이나 중 페르미온 물질계의 전자구조를 설명하는데 한계가 있었다.

 심 박사 팀은 플루토늄 물성 규명에도 활용했던 동역학적 평균장 이론(Dynamical Mean Field Theory : DMFT)을 이용, 온도에 따른 중 페르미온의 형성과정을 성공적으로 설명했다. 또 이 연구 결과를 통해 그 동안 논란이 되어왔던 광전자 분광학, 광전도도에 대한 실험 등의 결과들을 성공적으로 재현했고 현재 실험 기술로 확인하기 어려운 중 페르미온계의 물리현상을 예측했다.

 심지훈 박사가 제시한 이 이론은 앞으로 고온초전도체와 새로운 초전도체 제작을 위한 연구 등에 적용될 것으로 기대된다.

 이 논문의 제1저자인 심지훈 박사는 포스텍 물리학과에서 학사와 박사(통합과정) 학위를 받은 한국 토종 박사 출신으로, 지난 2005~2006년 한국학술진흥재단의 해외 박사후연구원 연수 지원을 받아 현재 미국 러트거스대학 코틀리어 교수(G. Kotliar) 그룹에서 연수를 받고 있다. 또 그는 지난 8월 열린 아시아태평양 물리학 학술대회(APPCㆍAsia Pacific Physics Conference)에서 아태지역의 젊은 물리학자들을 대상으로 수여하는 ‘씨엔양 어워드(C.N.Yang Award)’를 수상하기도 했다.

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※ 광전도도(光傳導度, photoconductivity) : 빛에 따른 전기 전도도