김헌정 교수와 유수프 아데예미 살라우(Yusuff Adeyemi Salawu) 박사과정생. 대구대 제공대구대학교 연구팀이 과학계의 오랜 통념을 뒤엎는 획기적인 연구 결과를 내놔 세계적인 주목을 받고 있다.
28일 대구대에 따르면 에너지배터리학과 김헌정 교수 연구팀이 내부에 비대칭 구조가 전혀 없는 '중심 대칭 구조'를 가진 차세대 신소재 '바일 금속(Weyl metal)'에서 세계 최초로 정류 현상을 발견하고 그 원리를 규명했다.
전류가 한쪽으로만 흐르도록 하는 정류 효과는 현대 전자공학의 핵심이다. 이는 일방통행 도로처럼 전류가 한 방향으로만 지나가게 만드는 것과 같다. 지금까지 과학계에서는 이러한 일방통행 도로(비대칭 구조)가 있어야만 정류 현상이 일어난다고 믿었다. 구조적으로 대칭인 물질에서는 전류가 양방향으로 자유롭게 흘러야 하며 정류는 원리적으로 불가능하다는 것이 정설이었다.
하지만 연구팀은 지르코늄 펜타텔루라이드(ZrTe5)라는 바일 금속 물질을 이용한 실험에서 이같은 상식을 깼다. ZrTe5는 원자 배열이 완벽한 중심 대칭을 이루고 있어 기존 이론에 따르면 정류 현상이 나타날 수 없는 물질이다. 연구팀은 이 물질에 교류 전류를 흘려주었을 때 직류 전압이 발생하는 것을 확인했다.
연구팀은 대칭구조의 물질에서 정류가 나타나는 요인이 '동적 대칭 깨짐(Dynamic Symmetry Breaking)' 이라는 새로운 물리 현상에 있음을 밝혀냈다.
이는 물질에 가해지는 교류 전류의 세기가 특정 임계점(Jc)을 넘어서는 순간 물질 내부의 전기장 상태가 스스로 대칭적인 상태를 무너뜨리고 비대칭적인 상태로 전환되는 현상을 말한다. 물질의 원자 구조 자체가 변하는 것이 아니라 전류에 유도된 동적인 상태 변화가 마치 비대칭 구조를 가진 것처럼 만들어 정류 현상을 가능하게 한다는 것이다.
김헌정 교수는 "완벽하게 균형 잡힌 팽이가 천천히 돌 때는 안정적인 대칭을 유지하지만 아주 강한 힘으로 돌리면 비틀거리며 비대칭적인 운동을 보이는 것과 유사한 원리"라며 "외부 전류라는 힘을 이용해 물질 스스로 자신의 대칭성을 깨뜨리는 새로운 전기적 스위치를 발견한 셈"이라고 설명했다.
이번 연구는 김헌정 교수의 지도 아래, 유수프 아데예미 살라우(Yusuff Adeyemi Salawu) 박사과정생이 제1저자로서 연구를 주도했다.
연구 성과는 물리학과 재료과학 분야의 권위 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다. 후속 연구 결과 역시 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 실릴 예정이다.