나양공대·중국과기대 연구진, 음향 메타물질 실험으로 갭 없는 임계점에서 위상 보존 첫 확인

수십 년간 '별개 영역'으로 분리됐던 두 개념

위상학적 물질 상태(topological phases of matter)는 2016년 노벨 물리학상이 인정한 개념으로, 전역적 위상 불변량(topological invariant)이 외부 교란에도 강인하게 보존되는 특성을 핵심으로 한다. 양자 홀 효과나 위상 절연체의 경계 전도 상태가 불순물 앞에서도 안정적인 것은 이 덕분이다. 단, 이 보호 메커니즘이 작동하려면 벌크 상태에 에너지 갭이 존재해야 한다. 갭이 닫히면 위상 불변량은 정의 자체가 무너진다는 것이 기존 통념이었다.

반면 연속 상전이의 임계점—물의 끓는점이나 퀴리 온도가 대표적인 예—에서는 에너지 갭이 완전히 닫히고 미시적 세부사항은 지워지며 장파장 집단 거동만 남는다. 서로 다른 물질이 동일한 임계 지수를 공유하는 보편 거동(universal behavior)이 나타나는 이 발견은 1982년 노벨 물리학상으로 이어졌다. 임계점은 본질적으로 갭 없는(gapless) 상태라는 점에서 위상학과 정면으로 충돌했고, 두 영역은 수십 년간 사실상 교류가 없는 독립 도메인으로 취급됐다.

위상 임계성 이론의 체계화

닝보 동방공과대학(EIT) 물리학부의 유쉐쟈(Xue-Jia Yu) 교수는 이 간극을 메우는 이론 작업을 체계적으로 진행해 왔다. 2022년 양자 임계점에서의 위상 분류 이론을 제안한 데 이어, 2024년에는 임계점에 적용 가능한 일반화된 위상 벌크-경계 대응(bulk-edge correspondence)을 제시했다. 2026년에는 이 이론을 비평형 동역학 영역으로 확장했다. 베이징대학 쉬리메이 교수·저장대학 하이칭 린 석좌교수와 공동으로 위상 임계성 전체 이론 틀을 정리한 최초의 종합 리뷰 논문을 Physics Reports에 게재하기도 했다. 이론 틀은 준비됐으나, 실제 물리 시스템에서의 실험 구현은 계속 난제로 남아 있었다.

음향 메타물질을 활용한 두 건의 독립 실험

실험 구현의 어려움은 이중적 요구에서 비롯된다. 연구자는 시스템을 임계점에 정밀하게 조율해 벌크 상태를 완전히 갭 없는 상태로 만드는 동시에, 강한 요동과 배경 잡음 속에서 위상 경계 상태의 신호를 포착해야 한다.

이번 두 편의 논문은 서로 다른 전략으로 이 난제를 돌파했다. 나양공과대학(NTU) 바일레 장(Baile Zhang) 교수팀이 주도한 첫 번째 연구는 유쉐쟈 교수의 이론 틀을 토대로 1차원 플로케(Floquet) 임계점에서 위상 영에너지 모드와 π 모드를 음향 메타물질 플랫폼에서 직접 관측했다. 중국과학기술대학(USTC) 지안화 지앙(Jianhua Jiang) 교수팀이 이끈 두 번째 연구는 유쉐쟈 교수가 제안한 일반화된 리-할데인(Li–Haldane) 벌크-경계 대응을 적용해, 얽힘 스펙트럼(entanglement spectrum) 측정을 통해 1차원 및 2차원 위상 임계 현상을 관측했다. 유쉐쟈 교수는 두 편 모두의 공동 교신 저자로서 이론 모델링, 메커니즘 해석, 물리적 그림 분석을 담당했다.

의의와 주의할 맥락

두 실험은 실제 물리 시스템에서 에너지 갭 없이도 위상 특성이 생존 가능하며, 임계 보편 거동과 위상 성질이 공존할 수 있음을 처음으로 실험적으로 보여준 성과다. 위상 양자 계산, 음향 소자 개발, 비평형 위상 물질 연구 분야에 새로운 탐색 방향을 제시한다.

다만 이번 실험 플랫폼은 양자 시스템이 아닌 음향 메타물질, 즉 고전적(classical) 인공 구조체임을 짚어야 한다. 실제 양자 시스템에서 동일 현상이 구현되는지는 후속 연구가 필요하다. 또한 두 논문 모두 이론 기여 측인 EIT 배포 보도 자료를 기반으로 전달된 내용이라는 점에서, 기여 비중 서술에 일정한 출처 편향 가능성을 감안할 필요가 있다.