장찬욱, 정원욱, 김성, 최석호(경희대), 김민섭, 이종석(광주과기원), 황의헌(성균관대), R.G. Elliman(호주국립대), Materials Today Physics 60,101981 (2026).

▲ (위 좌측) 리프시트 상전이를 플라즈마 진동수를 측정하여 관찰하기 위해서 위상준금속인 Bi_0.96Sb_0.04 박막에 THz 영역의 레이저 빛을 투과시켜서 이에 반응하는 자유전자에 의해서 발산되는 전기장의 시간적 변화를 측정하는 원리를 설명하는 개략도. 궁극적으로는 THz 영역에서 전기전도도 스펙트럼을 얻을 수 있다. (위 우측) 두께가 다른 몇 개 시료에 대해서 측정한 시간에 따른 THz 영역의 전기장 신호. (아래 좌측) 위에서 측정한 데이터를 Drude fitting에 의해서 구한 광학전도도의 실수(σ₁) 및 허수(σ₂) 부분. (아래 우측) Drude fitting 및 적분법 등, 두 가지 방법으로 구한, 두께 변화에 따른 플라즈마 진동수의 변화, 10 nm, 즉 위상적 상전이의 임계 두께에서 플라즈마 진동수 및 광학적 전도도가 최저값을 갖는다.

위상준금속에서 리프시츠 상전이(Lifshitz transition)를 세계 최초로 플라즈마 진동수 측정에 의해 실험적으로 관찰을 하고 그 원리를 규명하였다. 리프시츠 상전이는 물질의 띠구조의 형태가 변하면서 페르미 표면 위상이 달라지는 현상으로 지금까지는 광전자 분광이나 수송 특성으로 간접적으로 관측한 결과가 있을 뿐, 아직 그 현상이 잘 규명되어 있지 않다. 리프시츠 상전이는 자성체, 초전도체, 위상물질 등, 양자물질 연구는 물론, 블랙홀/고에너지 분야까지 광범위하게 적용되는 중요한 기초 물리현상이다. 플라즈마 진동은 전자밀도와 밴드구조의 변화를 반영하는 물리현상으로서 특히 플라즈마 진동수는 전자구조 변화의 직접적인 지표이다. 이번 연구에서는 이론적으로만 예측되었던 “위상준금속에서 리프시츠 상전이가 일어나는 임계점에서 플라즈마 진동수가 최저점을 가지며 동시에 전하밀도도 최소가 된다”는 사실을 광학적 실험으로 처음 증명한 것이다. 이 성과는 단순한 물리적 사실의 실험적 규명을 넘어서 1) 밴드구조가 실제로 리프시츠 상전이를 거쳤다는 직접적 증거가 되며, 2) 보통 고전적인 집단 진동으로 해석되었던 플라즈마 진동을 위상적 밴드구조와 연결함으로써 집단모드와 위상적 밴드구조 간의 새로운 고리를 밝힌 셈이며, 3) 기존의 방법과는 다르게 광학적으로 증명함으로써 위상적 상전이를 집단적 광학반응으로 관측했다는 점에서 새로운 측정 패러다임을 제시한 것이다. 이러한 결과는 본 연구팀이 이전에 발표한, 리프시츠 상전이 임계 두께과 같은 두께 이하에서 2차원 바일준금속이 형성된다는 사실과 결합하여, 향후 2차원 위상준금속을 이용하여 고성능 전자/광전자 소자 개발뿐 아니라, 양자컴퓨터 핵심재료의 진단/제어/설계와 같은 미래기술의 실현을 앞당길 수 있는 중요한 돌파구로 평가된다. 연구팀은 디락준금속인 Bi_0.96Sb_0.04 박막을 MBE을 이용하여 2에서 300 nm 까지의 두께로 정밀하게 성장시켰다. 이번 연구는 2차원 바일준금속 형성이 일어나는 임계두께와 동일한 10 nm에서 결정 대칭성과 전자 밴드 구조의 위상 변화에 의해 발생하는 리프시츠 상전이를 규명함으로써, 두께 조절만으로 물질의 위상적 특성이 근본적으로 달라질 수 있음을 발견한 것이다. 아울러, 3차원 형태는 소형화, 집적화에 한계가 있는데 반해서, 2차원 위상준금속은 단층 또는 수 나노미터 수준의 두께만으로도 복잡한 양자효과를 구현할 수 있어, 전자·광학 소자의 플랫폼으로서 훨씬 유리한 조건을 갖추고 있다.

Yun-Hee Lee¹, Jin Kyun Kim¹, Yong-Jae Kim^1,2, Minju Kim¹, Yong Chan Cho¹, Rachel J. Husband³, Cornelius Strohm³, Emma Ehrenreich-Petersen³, Konstantin Glazyrin³, Torsten Laurus³, Heinz Graafsma³, Robert P. C. Bauer^3,4, Felix Lehmkuhler^3,4,5, Karen Appel⁶, Zuzana Konopkova⁶, Minxue Tang⁶, Anand Prashant Dwivedi⁶, Jolanta Sztuck-Dambietz⁶, Lisa Randolph⁶, Khachiwan Buakor⁶, Oliver Humphries⁶, Carsten Baehtz⁷, Tobias Eklund^8,9, Lisa Katharina Mohrbach¹⁰, Anshuman Mondal¹⁰, Hauke Marquardt¹¹, Earl Francis O’Bannon², Katrin Amann-Winkel^8,9, Choong-Shik Yoo¹², Ulf Zastrau⁶, Hanns-Peter Liermann³, Hiroki Nada¹³ & Geun Woo Lee^1,14(¹KRISS, ²LLNL, ³DESY, ⁴Freiberg Center for Water Research, ⁵The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging, ⁶European XFEL, ⁷Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ⁸Max-Planck Institute for Polymer Research, ⁹University Mainz, ¹⁰Universitat Munster, ¹¹University of Oxford, ¹²Washington State University, ¹³Tottori University, ¹⁴University of Science and Technology (UST), Nature Materials (2025). DOI:10.1038/s41563-025-02364-x.

▲ 새로 발견된 ice XXI의 결정구조.

단 두 개의 원소인 수소와 산소로 이루어진 H₂O는 압력과 온도에 따라 21개의 결정상과 4개의 비결정상, 그리고 2개의 액체상을 가지는 놀라운 물질이다. 고압에서의 얼음은 지구 내부뿐 아니라, 토성이나 목성의 위성인 Titan과 Ganymede에서도 발견된다. 따라서, 물-얼음 상형성 및 상전이를 이해하는 것은 외계행성의 형성을 이해하는 것뿐 아니라 새로운 생명현상을 발견하고 이해하는 데 있어서도 매우 중요하다.

물은 상온에서 압축하면 약 1 GPa에서 고밀도 얼음상인 ice VI로 상전이하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 물을 1 GPa 이상으로 과압하게 되면 준안정의 얼음상인 ice VII 이 먼저 형성된 후, 안정상인 ice VI이 형성된다. 더 나아가, 물을 매우 빠르게 압축하여, 깊은 준안정상태로 만들면, 과냉각에 의한 유리형성과 유사하게, 물은 결정화 과정 없이 amorphous ice로 상전이 할 것으로 예측되었다. 이는 160 K 근처에 존재하는 유리전이온도보다 훨씬 높은 상온에서 amorphous ice를 예측하는 것으로써, 학계에서 매우 많은 주목을 받는 이슈이다. 하지만, 이 예측은 많은 실험적 시도에도 불구하고 amorphous ice의 매우 약한 산란신호와 준안정성에 의한 순간적 형성과 고압축률에 따른 매우 빠른 상전이 속도 때문에 실험적 관측이 어려웠다.

본 연구에서는, 고압환경에서 압축률을 자유로이 조절할 수 있는 dynamic anvil cell (dDAC) 기술과 매우 짧은 시간 동안 상전이를 검출할 수 있는 X-ray Free Electron Laser (XFEL) 기술을 결합하여, 물의 결정화 시 수십 마이크로초 내에서 일어나는 새로운 준안정 얼음상을 검출하였다.

먼저, 금속 gasket에 직경 100 um 두께 50 um의 원통형 구멍을 내고 물을 넣어, 한 쌍의 diamond anvil로 구멍을 막는다. 이 다이아몬드 앤빌을 피에조 액추에이터로 가압하는 dDAC을 이용하여 물을 10 ms 동안 약 2 GPa까지 빠르게 압축한다. 이때 결정화가 일어나게 되는데, 약 1.5 us의 폭을 가진 X-ray pulse 를 총 500 us 동안 조사하여 물-얼음의 상전이 전 과정을 관찰하였다.

그 결과, 물의 ice VI로의 결정화는 준안정 얼음 결정상인 ice VII과 미지의 준안정 얼음상을 통해서 이루어지며, 이런 준안정 얼음상의 존재가 단순하게 여겨져 온 ice VI의 freezing-melting 과정이 최소한 5가지의 복잡한 경로를 거쳐서 일어난다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 이 미지의 준안정 얼음상을 분석한 결과, 기존 얼음과는 비교할 수 없을 정도의 매우 큰 결정격자(a = 20.085 Å, c = 7.828 Å)와 매우 복잡한 결정구조(body-centred tetragonal structure (I4̄2d))를 가지는 새로운 얼음상임을  single-crystal X-ray diffraction 실험으로 확증하여, ice XXI이라 명명하였다.

본 연구에서는 열역학적인 관점에서 ice VI나 ice VII보다 낮은 ice XXI이 supercompressed water (SW)로부터 먼저 결정화가 일어나는 이유를 물의 압력에 따른 구조변화로 예측하였다. 따라서, 고압에서 ice VII과 유사한 국소구조를 가지는 high-density water는 압력이 증가함에 따라 ice XXI 과 유사한 국소구조를 가지는 very-high-density water로 구조적 진화를 할 것으로 예상하였다.본 연구결과는 새로운 얼음상을 발견하는 데 물의 과압의 정도가 매우 중요한 조건이 될 수 있으며, ice XXI의 발견은 외계 얼음 행성 및 위성의 진화과정을 규명하는 데 기여할 것으로 본다.