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- 2019년에 한 연구팀은 전체 재료의 4분의 1이 토폴로지일 수 있음을 발견
- 무기 결정구조 데이터베이스에 기록된 9만6196개 결정의 전자 구조에서 위상 상태 검색
- 모든 결정질 고체의 약 87%, 전자밴드가 위상적으로 행동하는 적어도 하나의 위상 상태
- 양자 물리학 응용, 고에너지 물리학을 위한 전자 부품과 새로운 재료 개발에 용이

재료: 거의 모든 것이 "토폴로지(Topology)"다.
모든 결정질 고체의 90%에 있는 특이한 전자 상태

놀라운 발견:
전자 토폴로지의 희귀하고 이국적인 상태는 재료에서 거의 도처에 존재한다고 한 연구에서 밝혀졌다. 이에 따르면 모든 결정질 고체의 90%는 적어도 하나의 전자 위상 상태를 가지고 있다. 전도도, 스핀 및 기타 전자적 특성은 외부 교란에 안정적이다. Science 팀에 따르면 이 발견은 많은 전자 및 양자 물리학 응용에 중요하다. 

▲ 이국적이고 희귀한 것 때문에 모든 고체의 거의 90%가 토폴로지 전자 상태를 보여준다. © C. Pouss/ MPI CPfS

수학에서 토폴로지는 기하학적 객체의 변하지 않는 속성을 설명한다. 링은 왜곡되거나 늘어나거나 회전하더라도 항상 정확히 하나의 구멍을 유지하는 반면 8은 조작 방법에 관계없이 항상 두 개의 구멍을 갖는다.

전자 토폴로지 현상

이 개념은 또한 결정질 고체의 전자적 특성으로 옮겨질 수 있다. 특정 상황에서 결정 구조와 전자의 상호 작용이 그 안에서 발생하여 초전도성, 초유동성 및 위상 절연체를 비롯한 이국적이고 동시에 강력한 상태로 이어진다. 내부는 비전도성이지만 표면과 가장자리에서 전기를 전도하는 고체.

오랫동안 이러한 토폴로지 전자 상태는 예외적이고 다소 이국적인 것으로 간주됐다.
2019년에 연구팀은 전체 재료의 4분의 1이 토폴로지일 수 있음을 발견했다. 그러나 그들의 연구에는 알려진 고체의 일부만 포함되었다. 드레스덴에 있는 Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids의 Maia Vergniory와 그녀의 동료들은 이제 한 단계 더 나아갔다. 그들은 "무기 결정 구조 데이터베이스"에 기록된 모든 9만6196개 결정의 전자 구조에서 위상 상태를 검색했다.

연구를 위해 연구원들은 화학 및 결정 구조에 대한 데이터를 결합하고 특수 모델의 도움으로 서로 다른 조건에서 각 재료의 전자 밴드 구조를 결정했다.

87%는 토폴로지 상태를 가지고 있다.

모든 재료의 52% 이상이 위상 토폴로지다. 즉, 위상 부도체 또는 초전도체와 같은 위상 반금속이다. 모든 결정질 고체의 약 87%는 또한 전자 밴드가 위상적으로 행동하는 구성인 적어도 하나의 위상 상태를 가지고 있다. 따라서 공동 저자인 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Benjamin Wieder는 "토폴로지는 거의 어디에나 있다“고 말했다.

연구원들이 발견한 바와 같이 알려진 물질의 약 2%는 심지어 "초위상학적(supertopological)"이다. 이러한 고체에서 단단히 결합된 코어 전자 위의 전자는 전체 에너지 스펙트럼에 걸쳐 위상적으로 움직인다.

예를 들어 비스무트(bismuth) 요소는 그러한 슈퍼토폴로지를 보여준다. 사실, 몇 년 전에 화학자들은 비스무트 화합물 Bi2Mg3에서 설명할 수 없는 표면 공명을 관찰했는데, 이는 현재 위상 상태로 판명됐다.
 

Wieder는 "증거는 항상 존재했다”고 말한다. 그와 그의 동료들이 현재 수집한 토폴로지 재료에 대한 데이터 덕분에 미래에는 솔리드가 전자 토폴로지를 표시하는지 여부와 어떤 형태로 표시되는지 직접 확인할 수 있다. 이것은 양자 물리학 응용 또는 고에너지 물리학을 위한 전자 부품 및 새로운 재료의 개발을 용이하게 한다.
(Science, 2022; doi:10.1126/science.abg9094)
출처: Massachusetts Institute of Technology(MIT), Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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