고온 초 전도 체 비밀 풀리나 '전자 결정' 조각 세계 최초 발견

연세 대 김 근 수 교수 연구팀 새로운 전자 결정 상태 발견 물리학 난제 해결 단 초 마련 21년 이어 네 이 처지 게재

  

전자 결정' 조각들의 흔적 발견. 김 근 수 연세 대 교수 연구팀

현대 물리학의 오래된 난제인 고온 초 전도 체와 초유 체 현상의 비밀을 푸는 데 단 초가 될만한 연구 결과가 나왔다. 과학기술정보통신부는 김 근 수 연세 대 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속에서 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 '전자 결정' 조각을 발견했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네 이 처'에 게재됐다.

고체 물질에서 원자들은 규칙적인 배열을 이뤄 움직일 수 없다. 반면 전자들은 마치 기체처럼 움직일 수 있어 전압을 걸어 주면 전류가 발생한다. 1930년대 헝가리 물리학자 유진 위 그 너 는 전자들이 규칙적인 배열을 이뤄 움직일 수 없는 '전자 결정을 발견해 1963년 노벨 물리학 상을 받았다.

전자를 결정 상태로 만들 수 있으면 영하 240도 이상의 비교적 높은 온도에서 물질의 저항이 사라지는 '고온 초 전도 체'나, 극저온에서 물질의 점성이 사라지는 '초 유체' 현상의 비밀을 풀 수 있어 수 십 년 간 물리학의 주요 화두가 됐다.

 

 

고체 물질 속 '전자 결정' 조각들의 흔적 발견. 김 근 수 연세 대 교수

김 근 수 교수 연구팀은 액체 결정(액정) 상태와 같은 전자 결정 조각을 세계 최초로 발견했다. 관측된 불 규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초 유체의 특징과도 유사하다. 

 

연구팀은 2021년 선행 연구에서 알칼리 금속을 도 핑 한 물질에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견한 후 도 핑 농도를 조절하는 등 후속 연구를 지속적으로 수행한 끝에 액체의 성질 뿐만 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 전자 결정 조각을 발견하게 됐다.

연구팀은 발견한 전자 결정을 입증하기 위해 방사 광 가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했다. 또 미세한 전자 결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불 규칙성을 관측하는 데 성공했다.

지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분 법적으로만 인식해 왔다. 그러나 이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 '제 3의 전자 결정 상태를 인식하게 됐다는 점에서 의미가 깊다.

 

김 근 수 연세 대 교수는 "앞으로 초 전도 체, 초 유체의 미시적 원리를 밝혀내고 물리학의 오랜 난제 해결에 노력하겠다"고 말했다.한편, 김 교수 연구팀은 이번 연구 성과는 과기 정통 부의 기초 연구 사업의 지원으로 이뤄졌다. 

 

이번 성과의 기반이 된 2021년 연구 성과 역시 과기 정통 부 기초 연구 사업의 지원이 있었다. 과기 정통 부는 국내 연구 생태계를 더욱 튼튼히 하겠다며 내년 기초 연구 지원 사업을 역대 최고 수준인 2.34조 원 규모로 편성할 계획으로, 현재 국회 심의 중이라고 밝혔다.