이산화바나듐 상전이 현상 첫 규명…"수십 년 논쟁 종지부"

물리학계가 수십 년간 이어오던 이산화바나듐 상전이 현상 순서 논쟁에 종지부를 찍었다. 이산화바나듐은 상온(68도) 근처에서 부도체 성질이 도체로 변하는 상전이 현상이 나타난다. 그런데 이 상전이가 결정구조부터 발생하는지, 아니면 전기적 변화 먼저 일어나는지가 수십 년째 논쟁거리였다. 이유는 절연체나 금속상태 변화가 피코~나노초 사이에 순간적으로 일어나기 때문에 그동안 이를 들여다볼 수 있는 방법이 없었다. 포항가속기연구소는 천세환 박사 연구팀(공동제1저자:박순희·박재구 박사)이 스마트 소재 이산화바나듐 박막에서 기존 상식을 뒤집는 숨겨진 광유도 초고속 상전이 경로가 존재함을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다. 상전이는 물질 상태나 성질이 외부 조건이 변함에 따라 갑자기 달라지는 현상을 말한다. 얼음이 물로, 물이 수증기로 바뀌는 현상도 모두 상전이다. 연구팀은 포항가속기연구소 X-선 자유전자레이저(PAL-XFEL)와 3세대 방사광가속기(PLS-II) 실험 장치를 이용, 빛으로 유도되는 구조적·전기적 상전이 현상을 정밀하게 관찰한 결과 인장 변형이 가해진 이산화바나듐 박막에서 두 상전이(구조적 변화와 전자적 변화)가 수백 펨토초 간격을 두고 잇따라 발생함을 밝혀냈다. 박재구 박사는 "확인결과 구조변화가 먼저 일어나고, 그 뒤를 따라 전자적 변화가 일어났다"며 "이를 과학적으로 규명한 것"이라고 설명했다. 박 박사는 "전자들의 거동만으로 물질의 전기적 성질이 전기가 통하지 않는 상태에서 전기가 흐르는 상태로 갑자기 바뀌는 양자 현상인 모트(Mott) 부도체–도체 전이에 의해 일어남을 밝혔다"며 "시료에 인장 변형을 가하는 방법으로 빛에 의해 유도되는 이같은 전기적 변화가 시작되는 시점을 조절할 수 있는 가능성도 함께 제시한 것"이라고 의미를 부여했다. 연구팀은 이산화바나듐뿐 아니라 이와 유사한 모트 부도체–도체 전이 양자 물질군에도 이 연구 결과 적용이 가능할 것으로 내다봤다. 특히, 이러한 물질들을 기반으로, 빛을 이용한 초고속 광유도 스마트 소재 제어 기술로의 활용도 기대했다. 연구결과는 물질 과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.