바일 금속

Weyl metal.

독일의 수학자이자 물리학자인 H. Weyl은 상대론적 양자역학의 방정식인 디락 방정식의 해가 특수한 조건에 달라지는 것을 확인하였는데 이러한 조건을 충족시키는 입자를 바일 페르미온(Weyl fermion) 혹은 바일 입자라고 한다. 그리고 이러한 바일 페르미온이 존재할 수 있는 조건의 금속을 바일 금속이라고 한다. 정확히는 바일 준금속 세미메탈이다.

참고로, 바일 페르미온은 질량을 가지지 않는 카이랄성 페르미온으로, 양자장론에서 중요한 역할을 한다.[1]

초전도체라고 알려져 있는 경우가 많으나 정확히는 초전도체는 아니라고 한다. 초전도체는 일정 온도 이하에서 저항이 0이 되며 자기장을 배척하는 성질을 띠는 물체를 말하는데, 바일 금속은 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. 아시다시피 2차원이라는 건 면적이 0이나 마찬가지라 저항이 조금만 있어도 거의 흐르지 않고 무시할 만한 수준이 되는것.

이 바일 금속[2] 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.

오랫동안 이론상으로만 구상되었다가 2010년대에 들어 실제로 조건에 맞는 합금들이 발견되어 실존 가능함이 확인되었다. 2013년에 김헌정 대구대 교수팀과 김지훈 포스텍 교수팀은 $\mathrm{Bi}_{1-x} \mathrm{Sb}_{x}$ 꼴의 화합물을 연구하던 중[3] $\mathrm{Bi}_{0.96} \mathrm{Sb}_{0.04}$이 바일 금속임을 밝혔고, [4] 이후 2015년경부터 TaAs [5] 등이 발견되고 있는 상황이다.

국내에는 바일 금속을 이용해 옴의 법칙을 깨뜨렸다는 다소 자극적인 제목의 기사로 그 존재가 알려졌다. 동아일보 기사. 다만 이 발견이 물리학 책을 새로 쓸 만한 일은 아니다. 일반물리 이후 전자기학에서 처음으로 옴의 법칙을 다룰 때도, 맥스웰 방정식 등의 기본 법칙에서 유도하는 것이 아니라 일종의 rule of thumb로 제시되는 법칙이기 때문.

참고: 3차원 바일 금속의 물리적 성질과 연구의 전망 - 물리학과 첨단기술