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1. 개요
凝集物質物理學 / Condensed Matter Physics현대 물리학의 한 분야이자, 말 그대로 입자간 상호작용이 강한, 응집된 물질의 상태에 대해 연구하는 분야이다. 응집물질의 대표적인 예는 액체와 고체 등이 있으며, 보스-아인슈타인 응집물질이나 초전도체, 초유동체 같은 특수한 물질의 상태, 물질상의 변화 즉, 상전이도 다룬다. 하위 분야로, 주로 고체의 성질에 대해 연구하는 고체물리학이 있다.[1]
한국물리학회 회원중 약 25%가 응집물질물리를 연구하고 있어, 물리학과에서 가장 많은 연구자가 집중되어 있다.
일본에서는 전통적으로 물성물리학으로 표기하고 있으며, 영어로는 condensed matter physics 로 동일하다.
2. 교과목
학부 과정에서는 물리학과에서 4학년 때 개설되기 시작한다. 선수과목으로는 물리학과 학부과정의 대부분 내용 (양자역학 등)이 요구된다. 아예 대학원 과정에서 배우기도 한다.3. 내용
말 그대로 '뭉쳐 있는' 물질이 모두 연구대상이니, 그 특성상 다루는 내용이 무척 넓고 다양하다. 실제로, 어느 정도 일반론을 제외하면 랩마다 연구 분야도 천차만별이고, 이러다 보니 끌어다 쓰는 이론도 고체물리와 같이 전자기학, 양자역학, 통계역학 등등 필요에 따라 이것저것 가져다 쓰며, 심지어 이론 응집물리에서는 양자장론(...)도 가져다 쓴다. 즉 골고루 잘 해야 시작해볼 수 있는 분야.나노/표면물리, 자성, 초전도, 전자분광 등의 분야가 있으며, 각각 이론과 실험으로 갈린다.
- 극 초진공 물리: 매우 희박한 진공에서의 거동.
- 저온물리학 (Low Temperature Physics)[2] : 온도가 낮아지면, 분자간 거리가 줄어들어 입자들이 '응집한다'고 생각하면 이해하기 쉽다. 고체를 이루는 원자 혹은 분자들은 온도에 따라 고유한 진동을 한다. 이때 진동에너지를 고체의 열에너지라고 할 수 있다. 상온에서는 열에너지가 굉장히 커서 여러가지 현상을 압도한다. 따라서 이 열 에너지을 제거해 주어야 고체 내부의 특수한 현상을 관찰 할 수 있다. 온도를 내리다보면 열에너지가 줄어들게 되고 열에너지가 특정 수치보다 낮아지게 되면 그 열에너지보다 큰 에너지를 갖는 현상들이 보이게 된다. 예를들어 저온에서 결정구조의 변화, 자성구조의 변화, 전자구조의 변화 등이 보인다. 이 현상들이 나타나는 온도의 열에너지를 해당 현상의 에너지와 같다고 보고 연구를 한다. 이게 극저온 영역이 되면 물질에 따라 단순히 응고가 아닌 특이한 상전이를 보이기도 하는데, 자세한 내용은 초전도체, 초유동체 문서 참고.
- 자성재료 물리학 (Magnetic Materials Physics)
- 아주 작은 인공구조 (나노 규모 등): 대부분의 응집물질은 준양자적(semi-classical) 접근법으로 설명될 수 있다. 하지만 기술이 발달하면서 아주 작은 구조를 이용할 수 있게 되었고, 그로 인해 전자의 파동성이 중요해지는 사례를 실험할 수 있게 되었다.
- 나노 구조 초전도체: 초전도체가 중시 양자계(mesoscopic quantum systems)를 형성하기 때문에 다양한 전자기적 성질을 나타낸다. 중시 초전도체 소자들은 양자 컴퓨터 후보로도 연구되고 있다.
3.1. 강상관계
strongly correlated systems구성 입자들이 강하게 상호작용을 하는 시스템. 강상관계는 기본적으로 운동 에너지보다 상호작용 에너지의 효과가 훨씬 더 커서, 섭동이론(perturbation theory)[3]이 적용되지 않는 계라고 정의할 수 있다.
고체물리학은 1900년대 초중반 양자역학, 1960년대 이후 밀도범함수 이론(density functional theory), 띠 이론[4] 등을 통해 발전했다.[5] 그러나 강상관계 물질은 띠 이론을 통해 설명하기 어렵다. 전자와 전자 사이의 쿨롱(Coulomb) 상호작용이 중요해지면, 전자구조가 유효장 내에서 하나의 전자가 움직인다는 단일전자근사가 성립하지 않는다. 강상관계 물질에서는 전자 간의 강한 상호작용으로 인해 띠 이론으로 설명하지 못하는 새로운 물성 - 하나의 전자의 특성으로는 표시되지 못하는 집단현상- 이 발현된다. 고온 초전도 현상, 초거대자기저항, 강자성, 그리고 다강체 현상이 발현 현상의 대표적인 예이다.
- 그래핀에서 발생하는 양자 홀 효과: 그래핀은 실용적, 공학적 가능성이 높은 데다, 탄소 구조의 밴드 효과에 따른 전자의 상대론적 운동과 강한 상호작용 때문에 연구 주제가 된다.
- 고온 초전도체: Bednorz and Muller (1985)에 의해 발견되었다. 고온 초전도체 연구는 초저온 냉각장치 등의 고가의 기자재 없이도 연구를 수행할 수 있는 주제가 있기에, 한국 강상관계 물질 연구는 고온 초전도체에서부터 시작했다. 하지만 시간이 지나도 고온 초전도체가 충분히 발전하지 않으면서 이쪽에 대한 관심은 상당 부분 식었다.
4. 관련 문서
[1] 사실 역사적으로 보면 고체물리학으로부터 응집물질 물리학이 형성된 쪽에 가깝다.[2] 수 켈빈 이하의 극저온.[3] 서로 약하게 상호작용하는 계에 바탕을 둔 여러 개념들과 방법론[4] band theory. 고체 물질의 전자구조를 전자 1개가 유효장 내에서 움직임으로 근사하여 계산한다. 반도체 산업 발전에 기여했다.[5] 이 문단은 강상관계 물질 연구단 소개 (2017)을 참조하였다.