기초과학

중국과학자, 중페르미온 신규 이론 도출

발행일 : 2012 / 12 / 10

중국과학원 물리연구소 북경응집물질물리학 국가지정실험실(설립중) 응집물질이론계산중점실험실의 양이펑(楊義峰)연구원은 캘리포니아대학 Davis 캠퍼스의 DavidPines교수, NickCurro교수와 각각 공동 연구를 통해 작성한 중페르미온 연구에 관한 논문 2편을 ’12년 11월 6일자의 “PNAS” 겉표지에 발표했다. 영국켐브리지대학 Cavendish 실험실의 GilbertLonzarich교수가 집필한 논평[PNAS 109, 18241 (2012)]도 동시에 발표되었다.

중페르미온 재료는 강상관성 물리의 전통연구분야에 속하는데, 그 중 규칙있게 배열된 4f 혹은 5f 구역의 전자와 대전전자와의 하이브리드를 통해 복잡한 행위와 새로운 양자상태를 구현하지만 지금까지 만족할만한 이론적인 해석이 없었다. 양이펑 연구원은 해외 연구자와 공동으로 현상학적(Phenomenological) 이유체설(Two-fluid theory)을 도출해냈고 또 실험으로 입증하였으며, 새로운 중페르미온 물리그래픽 방식으로 중페르미온 물리의 미시적 이론을 탐구하는데 참신한 아이디어를 제공하였다.

이유체모형은 중페르미온체계의 복잡한 협동행위를 재규격화(Renormalization)된 국부 f스핀 액체와 하이브리드를 통해 생성한 퍼레이드(Parade) f 중전자 액체로 간소화하여 간주할 수 있으며, 후자는 온도변화에 따라 특이한 숫자 의존성을 드러낸다. 2가지 유체의 특징을 접합시키면 복잡한 실험현상을 유발하기 때문에 중페르미온의 물리특성을 깊이 인식하기 힘들다. 현상학적 모형으로 분석하면 2가지 유체에 대한 기여도를 효과적으로 분리할 수 있다. 예를 들면 자화율의 주요 특징은 f스핀액체에서 기인하는데 자화체계에서 하이브리드 정도를 나타낸다(그림1). 핵자기공명 Knight이동의 자화율에 대한 빗나가는 현상을 과거에는 전계효과로 분석하였으나, 새로운 분석결과 이러한 비정상적 빗나감은 구체적(specific) 재료의 보편성에 의존하지 않는 퍼레이드 f전자의 특이한 행위를 구현한 것으로 나타났다.[PNAS 109, E3060 (2012)]

2가지 유체의 구체 재료에서의 비례를 정량화하기 위해 연구원은 하이브리드효율(f0)의 개념을 도입하였다. 도입한 변량은 f전자가 온도가 낮아지면서 고온 국부상태에서 저온 퍼레이드상태로 전환되는 효율을 나타내었다. 충분한 강도의 하이브리드 조건에서(f0>1) 국부 f전자가 모두 한정된 온도에서 퍼레이드 전자로 전환할 수 있으며, 또한 페르미면의 재규격화에 따른다. 이와 반대로 약한 강도의 하이브리드 조건에서(f0<1) 국부 f전자가 줄곧 존재하기 때문에 재규격화된 자성교환작용으로 국부 반강자성을 형성한다(상변화온도가 일정 정도 억제받음). 이 간단한 모형은 실험과 일치한 상태도(그림2)와 물성(그림3)을 나타내는데, 퍼레이드 전자의 저온 질서를 고려할 경우, 특정 초전도, 초전도-반강자성 공존, 숨겨진 질서 등의 더욱 풍부한 물리현상을 얻을 수 있어, CeRhIn5, CeCoIn5, URu2Si2 등 재료의 핵자기공명실험을 통해 중전자 고온 생성과 저온 질서 사이의 밀접한 관계를 입증할 수 있다.[PNAS 109, E3067 (2012)]

전 세계적으로 응집물질물리학 분야의 연구도 활발히 전개되고 있다. 아태이론물리센터의 연구팀은 2012년 7월에 응집물리학분야에서 “숨겨진 질서(Hidden order”라고 알려진 우라늄화합물((URu2Si2)의 ‘상전이’에 대한 미스터리를 풀었다. 이에 앞서 2007년에는 포스텍의 심지훈박사가 극저온에서 중페르미온의 형성과정을 이론으로 규명하여 학술계의 관심을 끌은바 있다. 이런 맥락에서 볼 때 중국과학원 물리연구소는 응집물질물리학 분야에서 선진국과 국제협력을 통해 연구를 활발히 수행하고 있으며, 세계적인 연구성과를 배출하고 있음을 알 수 있다.