‘옴의 법칙’ 바일 금속으로 증명된 최초의 예외

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왼쪽 - 카이랄 변칙과 차지 펌핑 오른쪽 - 바일금속에서 자기장에 따른 전류-전압의 관계

2017년 8월 POSTECH 물리학과 김지훈 교수팀은 바일 금속에서 옴의 법칙이 성립하지 않는 것을 발견했다는 내용의 논문을 발표했다. 바일 금속은 2013년 POSTECH 김기석 교수와 대구대 김헌정 교수 연구팀이 최초로 발견한 금속이다.

최초로 옴의 법칙을 깬 금속
김지훈 교수는 “이미 옴의 법칙이 깨진 것이 아니냐는 말을 하는 경우가 있다. 그래서 이번 연구 결과가 최초인지 의문을 가지고, 중요하지 않다고 생각한다”며 아쉬움을 표했다. 옴의 법칙은 항상 성립해 왔고 예외가 발견된 경우는 바일 금속이 처음이다. 금속에서 저항이 일정할 때 전류와 전압이 비례하는 법칙이 옴의 법칙이다. 이런 옴의 법칙이 성립하지 않는다고 오해받는 대표적인 예는 반도체, 초전도체, 탄소나노튜브 등이 있다.

하지만 옴의 법칙은 금속에 적용되는 법칙으로, 반도체는 금속이 아니기 때문에 옴의 법칙을 이야기 할수 없다.

또한, 초전도체는 저항이 0이기 때문에 옴의 법칙이 여전히 성립한다. 탄소나노튜브는 일정한 값의 저항(Quantum conductance)을 가진다. 결국 바일 금속만이 옴의 법칙이 성립하지 않는 유일한 경우다.

반도체의 단점을 보완하고 장점을 가진 바일 금속

바일 금속은 반도체의 단점을 보완하여 트랜지스터나 다이오드를 대체가능할 것으로 기대된다. 반도체는 사람들이 전류의 흐름을 자유자재로 제어할 수 있도록 돕지만 열을 내보내는 점에 있어 문제가 있다. 반도체는 열전도도가 뒤떨어져 열을 빠르게 내보내기 힘들기 때문이다. 바일 금속은 옴의 법칙을 깨서 전류의 흐름을 조절한다. 그래서 트랜지스터나 다이오드로 만들 수 있고, 열전도도도 높아 열을 빠르게방출할 수 있다.

바일 금속의 특이한 구조에서 비롯된 전류-전압 특성

왼쪽 - 카이랄 변칙과 차지 펌핑 오른쪽 - 바일금속에서 자기장에 따른 전류-전압의 관계
왼쪽 – 카이랄 변칙과 차지 펌핑
오른쪽 – 바일금속에서 자기장에 따른 전류-전압의 관계

이번 연구결과는 바일 금속에서의 비데만-프란츠법칙1)(Wiedemann-Franz law)을 연구하던 중 우연히 발견돼 관심을 끌었다.

POSTECH 김기석 교수와 대구대 김헌정 교수는 지난 2013년 세계에서 최초로 바일 금속 를 발견했다.

김기석 교수는 이론적으로 바일 금속의 특징 몇 가지를 예측했다.(Role of axion electrodynamics in Weyl metal: Violation of Wiedemann-Franz law, POSTECH 김기석) 김지훈 교수는 이에 이어 비데만-프란츠 법칙이 깨지는 것을 실험적으로 증명하고자 했다.

김지훈 교수는 전기전도도를 측정하던 중, 전류-저항이 비선형임을 발견했다. 이는 저항이 일정할 때 전류-저항이 선형이여야 하는 옴의 법칙을 벗어난다.

김기석 교수와 김지훈 교수는 이론적으로 옴의 법칙이 깨진 이유를 찾던 중 바일 금속의 특징에 집중했다. 김지훈 교수는 바일 금속에서 옴의 법칙이 깨지는 이유에 대해 “바일 금속은 카이랄 변칙2)을 통해 차지 펌핑이 생긴다. 이 효과를 고려하니 이론적으로 모두 맞아들었다”고 말했다.

본 연구는 김지훈 POSTECH 물리학과 교수팀과 김헌정 대구대 교수의 공동 연구로 이뤄졌다. 이는 세계적인 학술지 <네이처 머터리얼스(Nature Materials)>에 2017년 8월 14일 게재됐다.

1) 비데만-프란츠 법칙 : 열전도도과 전기전도도, 온도 사이의 관계
2) 카이랄 변칙 : 카이랄성을 갖는 입자들의 카이랄 전류가 보존되
지 않는 변칙