정보소자 기술은 전자가 지닌 내부 자유도를 하나씩 새롭게 발견하고 활용하며 발전해 왔습니다. 전하를 이용하는 일렉트로닉스에서 출발하여 전자의 스핀을 이용하는 스핀트로닉스가 등장하였고, 최근에는 전자의 궤도 각운동량을 이용하는 오비트로닉스가 새로운 분야로 자리 잡았습니다. 그런데 이 패러다임들에는 공통된 한계점이 있습니다. 고체 속 전자가 지닌 풍부한 양자역학적 정보 가운데 하나의 물리량만을 투영하여 다루고, 그 물리량이 다른 형태로 바뀌는 과정은 정보가 사라지는 ‘손실’로 취급한다는 점입니다. 그렇다면 전자가 가진 정보를 하나의 물리량으로 잘라내지 않고 더 온전하게 활용할 수는 없을까요? 그리고 지금까지 손실이라고 여겨 온 과정은 정말로 정보가 사라지는 것일까요? 본 연구는 이 두 가지 질문에서 출발합니다.
이 질문에 답할 수 있는 자연스러운 언어가 다극자 모멘트입니다. 다극자는 전자의 전하와 전류가 공간에 어떻게 분포하는지를 쌍극자, 사극자, 팔극자와 같은 차수로 나누어 빠짐없이 기술하며, 원자와 분자의 세계에서는 빛과 물질의 상호작용을 이해하는 핵심 개념으로 오래전부터 쓰여 왔습니다. 그러나 결정 고체에서는 사정이 전혀 다릅니다. 고체 속 전자는 결정 전체에 퍼져 있기 때문에 다극자를 엄밀하게 정의하는 일부터가 오래된 난제로 남아 있고, 지금까지의 연구도 대부분 평형 상태에서 다극자를 분류하는 데 머물러 있습니다. 다극자를 외부 자극으로 어떻게 만들어 내고, 서로 다른 다극자 사이에서 어떻게 바꾸며, 어떻게 옮기고 읽어 낼 수 있는지에 대한 이론은 아직 존재하지 않습니다.
본 연구의 목표는 고체 속 다극자를 정적인 분류의 대상이 아니라 생성, 변환, 수송이 가능한 능동적인 자유도로 다루는 새로운 이론 체계를 세우는 것입니다. 전기 분극과 궤도 자화처럼 가장 낮은 차수에서만 확립되어 있던 현대 이론(modern theory)을 임의 차수의 전기·자기 다극자로 확장하고, 이를 통해 다극자 모멘트의 변화율, 즉 생성과 변환 그리고 전도를 기술하는 이론적인 체계를 개발하고자 합니다. 궁극적으로는 지금까지 관측하기 어려웠던 응집물질 내 ‘숨은 질서(hidden order)’를 체계적으로 정량화 하는 방법을 제안하고, 더 나아가 다극자 모멘트를 능동적으로 활용하는 ‘다극자 일렉트로닉스’ 소자기술의 기반을 다지는 것이 본 연구의 목표입니다.
이 목표가 달성되면 세 가지 변화를 기대할 수 있습니다. 첫째, 지금까지 전기 다극자와 자기 다극자, 그리고 각 차수별로 따로 연구되어 온 물리 현상들을 하나의 통일된 관점에서 이해할 수 있게 됩니다. 서로 무관해 보이던 현상들이 같은 원리의 다른 모습이라는 점이 드러나면, 고체 속 전자의 동역학을 바라보는 시각 자체가 넓어질 것입니다. 둘째, 기존 패러다임에서 손실로 여겨 온 과정이 실은 정보가 사라지는 것이 아니라 다른 형태의 다극자로 옮겨 가는 과정임을 밝힐 수 있습니다. 이는 손실을 줄여야 할 대상에서 활용할 수 있는 자원으로 바꾸는 발상의 전환입니다. 셋째, 어떤 물질에 어떤 자극을 가하면 어떤 다극자를 만들고 읽어 낼 수 있는지에 대한 설계 원리를 얻게 됩니다. 이 원리는 하나의 물질 안에 여러 정보 채널을 담는 다치 정보처리, 새로운 비선형 소자 기능, 그리고 다극자를 직접 관측하는 측정 기법으로 이어질 수 있습니다. 나아가 이러한 성과는 고체물리를 넘어 광학, 테라헤르츠 기술, 양자물질 연구 등 인접 분야에도 새로운 도구와 질문을 제공할 것입니다.