아주대 연구팀, 위상물리학 20년 통념 깨…새 이론 제시

[수원=뉴시스] 국소지지 대칭. (사진=아주대 제공) 2026.03.09. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[수원=뉴시스] 변근아 기자 = 아주대 연구팀이 위상물리학에서 20여 년 동안 전제로 여겨지던 핵심 가정을 뒤집는 새로운 이론을 제시했다.  

아주대학교 임주원 교수 연구팀은 위상물리학 분야의 새로운 보호 메커니즘을 이론적으로 정립하고, 실제 물질에서도 구현해 낼 수 있음을 보였다고 9일 밝혔다. 

2016년 노벨물리학상을 받은 주제이기도 한 위상물리학은 수학의 위상(位相) 개념이 물리학에 적용된 것으로, 물질의 형태가 변해도 바뀌지 않는 고유한 기하학적 성질을 활용해 물질의 상태와 물성을 연구하는 분야다.

위상물리학의 개념을 물질에 적용한 위상물질의 특성은 그동안 '대칭이 물질 전체에 걸쳐 존재해야만 안정적으로 유지된다'는 점이 전제됐다. 대칭이 조금이라도 깨지면 밴드 교차점이 사라지거나 위상적 특성이 무너진다고 본 것이다.

아주대 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 물질의 한 부분에서는 대칭이 유지되지만, 다른 부분에서는 대칭이 깨진 상황을 가정해 전자 파동이 어떻게 퍼지는지를 분석했다.

그 결과 특정 조건에서는 전자의 블로흐 파동함수가 파괴적 간섭을 일으켜 대칭이 깨진 영역으로는 퍼지지 않고, 대칭이 남아 있는 영역에만 국소적으로 머물 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 이러한 메커니즘을 '국소 지지 대칭' 보호 원리로 정의하고 일반적인 이론 틀로 정리했다.

또 여러 모형 계산을 통해 국소 시간반전 대칭이나 회전 대칭에 의해 보호되는 위상 상태와 밴드 교차점을 구체적으로 구현했다.

아주대 임준원 교수는 "위상적 성질은 반드시 전체 대칭이 있어야만 보호된다는 기존의 통념을 넘어, 부분적인 대칭과 간섭 효과만으로도 충분히 안정화될 수 있음을 보여준 연구"라며 "앞으로는 국소 대칭과 파동 간섭을 활용해 보다 강인한 위상물질과 양자 소자를 설계하는 연구로 확장해 나갈 계획"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 2월호에 게재됐다.


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