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성균관대 물리학과 연구팀, 4차원 실험 공간 처음 만들었다


ㆍ2차원 물질 4개에 독립 차원 부여…자기·광학 등 실험에 활용

안성준 박사(왼쪽), 안종열 교수

안성준 박사(왼쪽), 안종열 교수


국내 연구진이 4차원 공간에서의 실험 연구를 가능케 하는 방법을 최초로 개발했다.

한국연구재단은 성균관대학교 물리학과 연구진이 2차원 물질인 그래핀에 4개의 독립적인 차원 축을 부여해 4차원 공간을 구현하는 데 성공했다고 28일 밝혔다. 이번 연구결과는 사이언스 28일(현지시간)자에 게재됐다. 

우리가 사는 세상은 3차원 공간이며 x, y, z 등 3개의 좌표축이 존재한다. 기존에는 3차원에 사는 존재가 4차원 이상의 공간을 구현하고, 이런 공간에서 실험 연구를 하는 것은 불가능하다고 여겨져왔다. 기존에 학계에서는 4차원 공간을 구현하려면 준결정을 만들어 4개의 독립적인 좌표축을 부여해야 한다는 것이 이론적으로만 제시돼 있었다. 2차원 물질 두 개를 겹친 뒤 특정 각도로 회전시키는 경우 준결정을 만들 수 있고, 이 준결정을 통해 4차원 공간에서의 연구가 가능하다는 내용이었다.

준결정은 결정과 비슷하지만 결정은 아닌 물질을 말한다. 보통 결정은 원자가 주기적으로 반복되는 구조를 말하는데 준결정은 대칭 구조를 가지지만 주기적 반복을 나타내지 않는 구조다.

연구진은 이론으로만 제시됐던 4차원 연구를 실험적으로 구현하기 위해 그래핀 물질을 이용했다. 그래핀은 탄소원자가 벌집구조로 매우 얇게 평면을 이루고 있는, 즉 2차원으로 결합돼 있는 물질을 말한다. 연구진은 두 층으로 이뤄진 그래핀을 정확하게 30도 회전시켜 그래핀 준결정을 만들어내는 것에 성공했다고 밝혔다. 

연구진을 이끈 안종열 교수는 이번 성과에 대해 “이론적으로만 제시됐던 4차원 연구를 실험적으로 구현할 수 있는 방법론을 개발한 것”이라며 “기존에 3차원 공간에만 제한되었던 연구들을 4차원 실험 공간에도 확대할 수 있을 것”이라고 설명했다. 그는 “그래핀을 정확하게 30도로 회전을 시켜야 하는데 ‘정확한’이라는 모호한 개념을 실험적으로 규명하는 것이 어려웠기 때문에 연구에 5~6년이라는 긴 시간이 소요됐다”고 말했다. 

연구진은 이번 연구에서 4차원 공간을 구현해 4차원 공간의 물리적 특성에 대한 연구가 가능해졌지만 우리가 사는 3차원의 공간을 보듯 눈으로 볼 수 있는 것은 아니라고 설명했다. 논문의 제1저자인 안성준 박사는 “1차원에 사는 존재가 평면인 2차원을 볼 수 없는 것처럼 3차원에 사는 우리가 4차원을 시각적으로 보는 것은 불가능하다”며 “좌표축을 추가해 4차원을 시각적으로 표현하더라도 그 그림은 3차원의 그림이 되기 때문에 4차원을 보는 것이라고 할 수 없다”고 설명했다.

연구진은 앞으로 4차원 공간의 자기적 특성, 광학 특성, 초전도 현상, 전자구조 현상, 전기적 현상 등에 대한 후속 연구가 이어지면서 4차원 공간에서의 실험 연구라는 새로운 연구분야가 정립될 것으로 기대하고 있다. 안 박사는 “이번 연구는 앞으로 4차원에 대한 연구의 실마리 역할을 할 것”이라며 “예를 들어 ‘양자홀 효과’처럼 이론적으로 4차원 공간에서 나타날 것이라고 예측된 물리적 특성들을 실험으로 증명할 수 있을 것”이라고 내다봤다. 

               

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원자력연구개발사업, 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.



원문보기:
http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid=201806290300015&code=610100#csidx9c7780bf2acd5e2b9dbf841b0ce11d9 onebyone.gif?action_id=9c7780bf2acd5e2b9

김기범 기자 holjjak@kyunghyang.com


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