입력 2026.08.11 11:18
- 양자 임계 현상의 새로운 원리 규명… 국제학술지 ‘ACS Nano’ 게재
충남대–성균관대 공동연구팀이 차세대 2차원 반도체에서 나타나는 ‘이상한 전기 흐름’의 원인이 물질에 따라 다르며, 동일한 비페르미 액체(Non-Fermi Liquid) 현상에서도 전자 간 상호작용과 재료 내부의 무질서가 서로 다르게 작용한다는 사실을 규명해 양자 반도체의 전도 현상을 이해하는 새로운 원리를 제시했다.
충남대학교 신소재공학과 최민섭 교수 연구팀은 성균관대학교 나노과학기술학과 유원종 교수, 에너지과학과 송승욱 교수 연구팀과 공동으로 PdSe₂, WSe₂, MoS₂ 등 대표적인 2차원 전이금속 칼코겐화합물(TMD)의 전기 전도 특성을 비교·분석해 비페르미 액체 현상의 미시적 원인을 규명했다.
이번 연구 결과는 나노과학·재료 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano, IF: 17.3)’에 게재됐다. 이번 연구는 최민섭 교수, 유원종 교수, 송승욱 교수가 공동 교신저자로, 성균관대 박사후연구원으로 재직했던 Nasir Ali 박사(現 NTT Research, Inc.)가 제1저자로 참여했다.
금속 속 전자는 온도가 낮아질수록 일정한 규칙에 따라 움직이며 전기저항도 이에 맞춰 변화한다. 이러한 전자의 거동은 ‘페르미 액체(Fermi Liquid)’ 이론으로 설명된다. 그러나 물질이 전기를 잘 흐르는 상태와 그렇지 않은 상태의 경계인 양자 임계점(Quantum Critical Point) 부근에서는 이러한 규칙이 깨지는 ‘비페르미 액체’ 현상이 나타난다.
비페르미 액체 현상은 고온 초전도체를 비롯한 다양한 양자 물질에서 관측돼 왔지만, 그 발생 원인이 전자 사이의 강한 상호작용 때문인지, 물질 내부에 존재하는 불순물과 결함 등 무질서(disorder) 때문인지는 오랫동안 논쟁의 대상이 돼 왔다.
공동연구팀은 PdSe₂, WSe₂, MoS₂ 등 대표적인 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 대상으로 전자 간 쿨롱 상호작용(Coulomb interaction)과 재료 내부 무질서의 영향을 체계적으로 비교·분석했다. 특히 여러 2차원 반도체 소재를 동일한 기준으로 나란히 비교함으로써, 겉으로는 유사한 비페르미 액체 거동이 나타나더라도 그 발생 원인은 소재에 따라 서로 다를 수 있음을 확인했다.
연구 결과, PdSe₂에서는 재료 내부의 무질서가 비페르미 액체 특성을 주도하는 반면, WSe₂와 MoS₂에서는 강한 전자 상호작용이 양자 임계 현상을 지배하는 것으로 나타났다. 이에 따라 동일한 비페르미 액체 거동이라도 소재에 따라 서로 다른 전도 메커니즘이 작용한다는 사실을 실험적으로 입증했다.
또한 연구팀은 양자 임계 스케일링(Quantum Critical Scaling) 분석을 통해 각 소재가 서로 다른 보편성(universality)을 갖는다는 점을 확인했다. 이는 2차원 반도체에서 나타나는 양자 임계 현상을 하나의 동일한 메커니즘으로 설명하기보다, 전자 상호작용과 무질서의 상대적인 영향에 따라 서로 다른 물리적 기원이 존재한다는 것을 보여준다.
이번 연구는 그동안 하나의 현상으로 인식돼 온 비페르미 액체 거동이 실제로는 전자 상호작용과 무질서가 경쟁적으로 작용하는 서로 다른 물리적 메커니즘에 의해 발생할 수 있음을 규명했다는 점에서 의미가 있다. 특히 다양한 2차원 반도체를 동일한 기준으로 비교해 양자 임계 현상의 차이를 밝혀냄으로써, 차세대 양자 반도체와 초저전력 전자소자, 양자정보 소자의 전도 현상을 이해하고 소재를 설계하는 데 필요한 기초 원리를 제시했다.
최민섭 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체에서 양자 임계 현상의 미시적 기원을 규명함으로써 오랫동안 해결되지 않았던 비페르미 액체 전도 메커니즘을 이해할 수 있는 중요한 단서를 제시했다”며 “성균관대학교 유원종 교수, 송승욱 교수 연구팀 및 Nasir Ali 박사와의 긴밀한 공동연구를 통해 얻은 성과인 만큼, 향후 차세대 양자 반도체와 인공지능 반도체 소재 개발의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 산업통상자원부 국가표준기술력향상사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 논문 제목: Emergence of Non-Fermi Liquid Behavior with Quantum Criticality in Transition Metal Dichalcogenides
□ 논문 DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c08440