1. 개요
Weyl semimetal독일의 수학자이자 물리학자인 헤르만 클라우스 후고 바일( Hermann Klaus Hugo Weyl, 1885 ~ 1955)은 상대론적 양자역학의 방정식인 디랙 방정식의 해가 특수한 조건에 달라지는 것을 확인하였는데 이러한 조건을 충족시키는 입자를 바일 페르미온 혹은 바일 입자라고 한다. 그리고 이러한 바일 페르미온이 존재할 수 있는 조건의 반금속[1]을 바일 반금속이라고 한다. 금속과 유사해보이지만 금속이 아니다.
참고로, 바일 페르미온은 질량을 가지지 않는 카이랄성 페르미온으로, 양자장론에서 중요한 역할을 한다.[2]
2. 성질
초전도체라고 알려져 있는 경우가 많으나 정확히는 초전도체는 아니다. 초전도체는 일정 온도 이하에서 저항이 0이 되며 자기장을 배척하는 성질을 띠는 물체를 말하는데, 바일 반금속은 저항은 이론상 0이지만 자기장을 배척하는 성질을 보이진 않는다고 한다.모든 물질은 일정 전압 이상이 되어야 전기가 흐르는데 도체는 그 전압이 매우 낮은 것을 말하고 부도체는 그 전압이 매우 높아야 한다. 근데 고체에 결정화된 절연체의 경우 표면에서는 2차원적인 도체가 될 수 있다. 알다시피 2차원이라는 건 면적이 0이나 마찬가지라 저항이 조금만 있어도 거의 흐르지 않고 무시할 만한 수준이 되는것.
이 바일 반금속 합금의 경우에는 기본적으로는 절연체이자 부도체이다. 원자에 전자가 돌고 있는것을 알것이다. 이 금속의 표면은 이 전자의 원래 경로가 겹쳐 있어 마치 원자를 자연스레 도는 전자마냥 표면을 따라 움직이는 것이 가능한 것이다.
초전도체는 제작 방법과는 상관 없이 내부 자기장이 항상 0이다. 그러나 완전 도체인 바일 세미메탈의 내부 자기장은 제작시 외부 자기장에 따라 다를 수 있다.
아직 지금 상태에선 발견의 수준이다. 불순물이 내부에 이런 이상적인 표면상태를 우연히 만들어 이 현상이 발견된 것. 뭐랑 뭐랑 어느 비율로 이래 이래 섞었더니 일정 부분 부분에서만 저런 현상이 일어난 것을 확인했다는 것이다. 저 현상을 의도하여 모든 면에서 가능하게 해야 의미있는 물질을 제대로 만드는 것. 갈 길이 멀었다.
3. 역사
오랫동안 이론상으로만 구상되었다가 2010년대에 들어 실제로 조건에 맞는 합금들이 발견되어 실존 가능함이 확인되었다. 2013년에 김헌정 대구대 교수팀과 김기석 포스텍 교수팀은 [math( \mathrm{Bi}_{1-x} \mathrm{Sb}_{x} )] 꼴의 화합물을 연구하던 중[3] [math( \mathrm{Bi}_{0.96} \mathrm{Sb}_{0.04} )]이 바일 반금속임을 밝혔고[4] 2015년경부터 TaAs [5] 등이 발견되고 있는 상황이다.2023년 8월 30일 경희대학교 응용물리학과 최석호 교수 연구팀으로부터 TSM(topological semimmetal)인 DSM(Dirac Semimetal)로부터 바일반금속(WSM Weyl Semimetal)로 상전이 현상을 통해 구현함을 입증하였다. 이 연구는 국제 학술지Advacned Functional Materials(IF=19.00)에 게재되었다.[6][7]
4. 옴의 법칙과 관련해서
국내에는 바일 반금속을 이용해 옴의 법칙을 깨뜨렸다는 다소 자극적인 제목의 기사로 그 존재가 알려졌다. YTN 뉴스. 다만 이 발견이 뉴스에서 말하듯 교과서의 내용이 바뀌게 될 거라니, 물리학 책을 새로 쓸 일이라니 할 정도는 아니다. 일반물리 이후 전자기학에서 처음으로 옴의 법칙을 다룰 때도, 맥스웰 방정식 등의 기본 법칙에서 유도하는 것이 아니라 일종의 경험법칙으로 제시되는 법칙이기 때문.참고: 3차원 바일 금속의 물리적 성질과 연구의 전망 - 물리학과 첨단기술
5. 관련 문서
[1]
준금속과는 조금 다른 개념이다.
[2]
논문. 초록에서 인용
[3]
논문
[4]
옴의 법칙과 관련된
논문의 12번째 레퍼런스에, 해당 물질을 최초로 발견했음을 언급하고 있다.
[5]
논문. DFT(밀도범함수이론)를 통해 존재 자체는 예측된 지 오래되었으나 실제로 만들어진 것은 조금 늦다.
[6]
해당 바일 반금속은 매우 민감한 자기장 특성으로 인해, 초정밀 위치 분석기 등의 가능성이 열렸음을 시사한다.
[7]
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202305179