구리산화물 고온초전도체, 망간산화물 거대자기저항 물질 계열의 전자간 상관성이 큰 전도성 산화물의 물성탐구를 위한 전자구조 및 모델계산 방법 개발과 응용을 통한 이론적 연구

도핑된 전이금속 산화물은 강상관성을 갖는 전자계로서 스핀 정렬구조, 격자 구조의 변화등 다양한 열역학적 변이와 함께 고온초전도성, 거대자기저항, 강/반자성, 강유전 성질들을 보이고 있다. 고온초전도, 거대자기저항 등으로 전도성 산화물의 중요성은 이미 잘 알려져 있을 뿐만 아니라, 도핑에 따른 금속-비금속 전이를 보이는 등 응집물질물리의 가장 근본적인 문제를 제기하고 있기도 하다. 특히, 금속-비금속 전이를 수반하는 초전도 및 자성 등은 전자간 상관성과 전자구조에 밀집하게 연결되어 있다. 실제로 기본적인 구성원소인 전이금속 원소와 산소 이온의 전자구조에 대한 낮은 에너지 기본들뜸 구조가 미묘한 상관관계를 갖고 있어, 그 기본 메카니즘을 이해하기 위해 전자구조 계산과 모델을 통한 이해가 동시에 필요하다. 따라서, 본인은 고온초전도체, 거대자기저항 물질 산화물의 물성연구를 위해 전자구조 및 모델계산 방법으로 접근하여 그 근본 물성과 메카니즘을 밝히는 데 기여하고자 한다.

• Computational Condensed Matter Physics:
  
  • First Principles Electronic Structure Calculations
  • Quantum Monte Carlo / Exact Diagonalization Methods

  제일원리 계산은 기본적으로 고체의 전자구조, 격자구조 및 관련 성질들을 경험적 변수 또는 실험적 결과에 의존하지 않고 제일원리 해밀토니안에서 출발하여 계산하는 것을 목적으로 한다. 이 분야는 최근 컴퓨터의 발달과 함께 급속도로 발전하여, 이제는 실험실에서 다루는 계를 시뮬레이션할 수 있는 단계에 이르렀다. 특히, 원자조작기술의 발전과 함께 복합구조를 지닌 금속/비금속/강자성체/반자성체/절연체/초전도체 인공초격자를 제작하는 경우에는 그 물리적 성질을 예측 분석하기 위해서 제일원리 계산이 필수적인 단계에 이르고 있다. 전이금속을 포함하는 화합물의 제일원리 계산을 위해서는 밀도범함수 이론에 의거한 LCPAO (local combination of local pseudo-atomic orbital) method (OpenMX code)와 FLAPW (full-potential linearized augmented-plane-wave) 방법을 이용하고자 한다. 전자구조 계산을 통해 우리는 전이금속 산화물의 기본적인 전자구조를 구할 수 있으며, 산화물의 바닥상태와 격자구조 등의 기술에 대한 밀도범함수 방법의 우수성은 이미 여러 분야에서 잘 입증되었다. 그러나, 산화물 절연체, 전도체, 그리고 자성체에서 전자와 스핀의 들뜸 상태를 기술하는 데에 여러 문제점들이 제시되기도 하였다. 이에 대하여, LDA+U, SIC, GW 등 여러 보정 방법들이 제시 되었고, 최근 많은 관심을 보인 고온초전도, 거대자기저항 물질에 적용한 결과로 전체적인 전자구조를 성공적으로 기술하였다. 따라서, 이 방법을 새로운 산화물 복합구조를 가진 인공초격자 등에 적용하는 경우에 기본물성과 전자구조를 이해하는데 중요한 기여를 한 것으로 생각되며, 본인은 이 방향의 연구를 위한 준비작업으로 계산 방법의 개선을 연구해 왔다. 한편, 전이금속 산화물은 전자 간의 강한 상관관계 때문에 전도체나 자성체, 비금속에서 전자나 스핀의 들뜸을 이해하는 데 밀도범함수 이론만으로는 불충분함을 잘 알고 있다. 특히, 금속-비금속 전이에 따른 초전도나 자성 계의 집단들뜸 상태를 이해하기 위해서는 문제의 핵심 상호작용을 포함하는 모델을 설정하고 양자장론적 접근과 양자 Monte Carlo 시뮬레이션 계산 등 새로운 접근이 필요하다. 이를 위해 본인은 양자 Monte Carlo 방법의 접근을 시도하여 이미 잘 알려진 Hubbard 모델에 대하여 성공적으로 적용하여 방법을 확인하였으며, 최근에는 거대자기저항 계에도 적용하고 있다. 전이금속 산화물의 연구를 성공적으로 이끌기 위해서는 이론적인 연구 뿐만 아니라, 실험 그룹들과의 상호교류가 필수적이다. 현재 서울대 물리학과에서는 고온초전도, 자기저항, 그리고 전이금속 산화물의 전자구조 연구등을 수행하는 그룹이 있어 앞으로 이 분야의 협력연구가 기대된다.

• Transition Metal Oxides:
  
  • Collosal Magnetoresistance Manganites
  • Intersite Coulomb Interaction and Model of Charge/Spin-Ordering

  거대자기저항 효과를 보이는 망간 산화물의 전자구조 및 거대자기저항 메카니즘은 최근 고체물리 분야에 큰 관심거리이다. 도핑된 망간 산화물은 거대자기저항 외에도 스핀/전하/궤도 정렬 등의 현상을 보이며, 최근에는 고온초전도체에서 관측되는 상분리 현상도 보이고 있어, 응집물질 이론에서 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 이미 노태원 교수 (서울대) 연구실과 공동 연구를 통해 도핑된 망간 산화물의 전자구조에 대한 연구를 진행 중이며, 일본 JRCAT의 Terakura 교수와 Tokura 교수 그룹과 교류하여 층상 망간 산화물의 기본인 La1-xA1+xMnO4 화합물에서 궤도정렬과 스핀 정렬 간의 관계를 제일원리 계산을 수행하여 밝힌바 있다. 또한, 거대자기저항의 한 모델인 이중교환 (Double Exchange) 모델에서 t2g 스핀 간의 반자성 초교환 작용을 고려한 모델을 Monte Carlo 방법으로 분석하였다. 현재 이중교환 모델과 이웃하는 격자점에 있는 전하 간의 쿨롱 상호작용을 고려한 전하/스핀 정렬에 관한 이론을 연구 중이며, 이 결과는 도핑된 망간 산화물 전자구조와 거대자기저항의 이해에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

• High Tc Superconductors:
  
  • Pressure Dependence of Hg-based High Tc Superconductors
  • Dynamical Properties of High Tc Josephson Junctions

  고온초전도체 전이온도의 압력 의존성은 고온초전도 발견 초기부터 많은 의문을 제기하기도 하였고, 실제로 더 높은 전이온도를 가진 초전도체를 찾기 위한 길잡이 역할을 해왔다. 고온초전도에서 압력의 역할은 포논의 진동수나 결합상수의 변화를 우선적으로 생각할 수 있지만, 최근 많이 논의되고 있는 층간 상화작용에 압력이 미치는 역할의 규명은 큰 관심을 모으고 있다. 특히,압력에 따른 페르미면의 위상구조 변화에 따른 각 CuO2 층의 불안정성의 유도가 고온초전도 메카니즘과 중요한 연관성을 가진것으로 해석되어, 이 문제의 연구를 계속 진행하고자 한다. 한편, 최근 고온초전도의 응용과 관련하여 고온초전도 Josephson 접합에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 우리는 이미 고온초전도체에서는 짧은 결맞음 길이로 인해 Josephson vortex의 요동효과가 매우 크다는 것을 보인바가 있다. 따라서, 고온초전도를 이용한 Josephson 접합등의 구체적인 모델에 대한 Josephson vortex의 요동효과가 미치는 효과등에 대한 연구가 요구된다.