저온 비열적 상전이는 물질을 이루는 원자와 전자간 상호작용의 변화로 일어나는데, 그 동안은 전자의 동역학(動力學)적 특성과 그들이 원자의 결합구조에 미치는 영향을 정확히 기술하는 이론적 방법론이 없어 구체적인 연구가 이루어지지 못했다.
연구팀은 전자와 원자들의 동역학적 특성을 시뮬레이션 하는 방법을 개발, 쪼이는 레이저의 파장을 짧게 해 물질 내 전자들의 에너지를 높이는 것이 저온 비열적 상전이 현상을 발현하는데 중요한 요소임을 밝혀냈다.
기존에는 레이저의 강도를 높여 물질 내 들뜬 전자 수를 늘리는 것이 현상 발현의 중요 요소라고 여겨졌는데, 이번 연구를 통해 들뜬 전자의 양 보다는 개별 전자 에너지를 높이는 것이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 확인했다.
특히 이번 연구에 사용된 반도체물질은 반도체 메모리 소자 적용을 위해 많은 연구가 진행 중인 물질이다. 이번 연구를 통해 300~400도의 낮은 온도에서도 600도 수준의 상태변화를 일으킬 수 있는 이론적 근거를 확보, 열로 인한 물질과 회로의 스트레스를 줄여 반도체 소자의 안정성을 크게 향상시키는 한편 소재공정 관련 신기술 개발도 가능해질 전망이다.
방준혁 박사는 “물질 내 전자 동역학은 트랜지스터, 태양전지, LED등 다양한 반도체 소자 응용뿐만 아니라, 광합성, 물 분해 과정 등 다양한 생물학적, 화학적 현상을 이해하는데 중요한 기초가 되지만 아직 기본 원리에 대한 이해가 부족한 상태”라며 “향후 다양한 물질, 현상들에 적용해 여러 문제를 해결하기를 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구성과는 물리학 분야 저널 ‘피지컬 리뷰레터’ 9월 16일자 온라인판에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sedaily.com
