완벽한 대칭도 전류를 바꾼다… 과학 상식 뒤집은 대구대 성과

대구대 연구팀, 세계 최초 '대칭 구조 물질 정류 현상' 규명
'동적 대칭 깨짐'으로 기존 이론 뒤집은 연구 성과
테라헤르츠 통신·양자 소자 등 미래 기술 활용 기대

대구대 김헌정(뒤쪽) 교수와 유수프 아데예미 살라우 박사과정생

'대칭에서는 정류가 불가능하다'는 오랜 상식이 무너졌다. 대구대 연구팀은 완벽한 중심 대칭 구조 물질에서 전류 방향을 바꾸는 현상을 밝혀냈다.

대구대학교는 에너지배터리학과 김헌정 교수 연구팀(제1저자 유수프 아데예미 살라우 박사과정생)이 완벽한 대칭 구조를 가진 차세대 신소재 바일 금속(Weyl metal)에서 세계 최초로 정류 현상을 발견했다고 29일 밝혔다.

전기는 한쪽으로만 흐르는 직류(DC)와 방향을 주기적으로 바꾸는 교류(AC)로 나뉜다. 그동안 과학계는 비대칭 구조를 가진 다이오드(Diode)와 같은 소자에서만 교류를 직류로 바꾸는 정류(Rectification)가 가능하다고 믿어왔다.

연구팀은 지르코늄 펜타텔루라이드(ZrTe5) 물질 실험을 통해 교류 전류가 직류 전압으로 바뀌는 현상을 규명했고, 이를 '동적 대칭 깨짐(Dynamic Symmetry Breaking)'이라는 새로운 물리 현상으로 설명했다.

이는 전류의 세기가 특정 임계점을 넘을 때 물질 내부의 전기장 상태가 스스로 비대칭적으로 바뀌며 정류 현상이 발생하는 원리다.

김헌정 교수는 "완벽하게 균형 잡힌 팽이가 강하게 돌면 흔들리는 것과 유사하다"며 "외부 전류라는 힘을 이용해 물질 스스로 대칭성을 깨뜨리는 새로운 전기 스위치를 발견한 셈"이라고 말했다.

이번 연구는 국제 권위 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재되었으며, 후속 연구 성과는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 발표될 예정이다.

연구팀은 비스무트-안티모니 합금에서 정류 현상을 이론화한 데 이어, ZrTe5에서도 같은 원리를 입증해 보편성을 확인했다. 또 정류 현상과 함께 입력 주파수의 정수배에 해당하는 고조파(Higher Harmonics) 발생까지 밝혀내며 연구의 깊이를 더했다.

김헌정 교수는 "이번 발견은 완벽히 둥근 공을 한쪽으로만 굴린 것과 같다"며 "향후 테라헤르츠(THz) 통신, 에너지 하베스팅, 초고속·저전력 양자 소자 개발의 핵심이 될 수 있다"고 강조했다.

대구대 김헌정 교수와 유수프 아데예미 살라우 박사과정생