계산물리학(computational physics)*에 기반한 기초적인 연구들은 의학 기술에서부터 이동 통신에 이르기까지 많은 다양한 기본 연구에 있어 필수적인 요소가 되어가고 있다.

Javad Hashemi는 알토대 응용물리학(Aalto University Department of Applied Physics) 박사 과정에서 탄소 나노튜브(carbon nanotube)에 기반한 서로 다른 구조들의 전기적인 속성이나 전도성에 대해 연구하고 있다. 그의 이러한 연구는 이론 물리학과 실험 간의 간극을 채울 수 있을 것으로 보인다. 이에 대해 Hashemi는 "계산 물리학에 있어서, 우리는 실제의 나노크기 시스템을 시뮬레이션하는 방법과 응용이라고 하는 두 분야를 가지고 있으며 나의 연구는 이 둘을 조합하는 것"이라고 말했다.

Hashemi는 밀도기능이론(density-functional theory)과 밀도매트릭스이론(density-matrix theory)에 있어서 기본적인 연구를 수행했다. 이와 관련된 그의 첫 연구는 전자 밀도에 기반한 물리 시스템의 전기적인 속성을 계산하는데 이용되었다. 이에 대해 그는 "밀도기능(Density functionals)은 많은 단점을 지니고 있는데, 그 이유는 이들이 근사값들이기 때문이다. 반대로, 밀도매트릭스는 전기 시스템을 보다 정확하게 계산할 수 있도록 하는데 도움을 줄 수 있다. 나노튜브와 그래핀 관련 연구는 나노전기장치 분야에서 매우 각광을 받고 있으며 내가 수행한 컴퓨테이션 기반 연구는 실험 상에서 관찰되는 현상들을 잘 설명할 수 있다"고 말했다.

다시 실제 이용되고 있는 장치에 응용하는 경우, 탄소 나노튜브는 완전하지 않다. 이들이 지니고 있는 결점이나 불완전함이 전자의 흐름에 영향을 줄 수 있다. Hashemi의 연구는 탄소 나노튜브의 전도성에 이러한 결점들이 미치는 영향이나 전기 장치를 엔지니어링하기 위해 이들을 어떻게 이용할지에 대해 이해하려고 노력하고 있다.

이와 관련해 Hashemi는 "우리는 단원자 두께의 탄소 층으로 이루어진 탄소 나노튜브를 연구하고 있으며 이들이 튜브에 적용될 경우 전기적인 흐름이 어떻게 변하는지를 알아보고자 한다. 예를 들어, 외부로부터의 수소 원자나 튜브에 존재하는 전기적인 이동 등에 미치는 결점들의 영향은 반드시 파악되어야 한다. 플렉서블한 전자 장치를 위한 훌륭한 후보군은 탄소 나노튜브 네트워크(carbon nanotube networks)이다. 탄소 네트워크는 일반적으로 매트 모양으로 구성되어 있으므로 하나의 탄소 나노튜브에서 다른 나노튜브로 이들이 어떻게 이동하는지를 아는 것이 필요하다. 이것은 플렉서블한 전자 장치의 뒤에 숨겨진 복잡한 물리학적 사실이다. 비록 이러한 기본적인 연구가 현재의 일상 생활과는 관련성이 떨어진다 할지라도 이들은 현대의 기술적 장치의 기반이 되며 미래의 보다 보편화 된 장치를 만들어내는데 많은 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

그림: 계산물리학은 미래의 전자 기기를 설계하는 기본적인 도구가 될 수 있다.

계산물리학(computational physics): 컴퓨터를 이용하여 복잡한 수식을 푸는 수치해석과, 물리적인 계(系)를 모형화하여 조건의 변화에 따른 반응을 컴퓨터로 알아보는 모의실험(simulation)이 대표적인 예이다. 슈퍼컴퓨터와 병렬처리컴퓨터 등의 발달로 컴퓨터의 용량이 커짐에 따라, 유체역학이나 항공기 설계, 반도체 소자 설계 등에 필요한 복잡한 수치계산을 신뢰성 있게 할 수 있게 되어, 과거 실험결과에 의존하던 데이터를 계산물리학의 결과로 대치하는 경우가 많아지고 있다. 새로운 물리계의 성질을 알아보기 위한 모의실험에서는 난수나 물리적인 무작위로 작용하는 원리나 구조를 이용하여 여러 조건에 따른 계의 반응을 살피는데, 주로 몬테카를로법(Monte-Carlo)을 많이 사용한다.

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