고체 물질 속 액체·고체 특성 갖는 전자결정 조각 세계최초 발견

연세대 김근수 교수 연구팀, 물리학 난제 해결 단초 마련

현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체 및 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대되는 연구가 국내 연구진에 의해 이뤄졌다.

김근수 연세대 교수

과학기술정보통신부는 연세대학교 김근수 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 ‘전자결정’ 조각을 발견했다고 17일 밝혔다.

고체 물질 속에서 원자는 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 반면, 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전압을 걸어 전자들의 흐름을 만들어 주면 전류가 발생한다.

전자들이 서로 밀어내는 힘을 고려하여 전자들이 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 전자결정 상태는 1963년 노벨 물리학상 수상자인 유진 위그너가 제안했다.

전자를 결정상태로 만들 수 있으면 고온초전도체나 초유체와 같은 난제 해결의 열쇠가 될 수 있기 때문에 수십 년간 물리학의 주요 화두가 되었고, 그동안 전 세계의 수많은 연구자가 연구해왔다. 고온초전도체는 영하 240도 이상 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질이고 초유체는 극저온에서 점성이 사라지는 물질이다.

연구팀은 지난 2021년에 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견하였고, 연구성과는 역시 네이처지에 게재된 바 있다. 연구팀은 후속 연구를 지속해서 수행해 특정 도핑 농도에서 액체의 성질뿐만 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 전자결정 조각을 발견하기에 이르렀다.

발견한 전자결정을 입증하기 위해 연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용하여 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정하였고, 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공하였다.

이번 연구는 마치 액체결정(액정) 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과이며, 관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과도 유사하다.

김근수 교수는 “지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다”며, “이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 제3의 전자결정 상태를 인식하게 되었다는 점에 이번 연구의 의의가 있다”고 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 게재됐다. 김근수 교수 연구팀의 이번 성과의 기반이 된 2021년 연구성과 역시 과기정통부 기초연구사업(중견연구)의 지원을 통해 이뤄졌다. 과기정통부 관계자는 “선행 연구의 성과가 후속 연구를 통해 심화·발전되어 자연 현상의 근원에 더욱 근접한 연구가 가능했다”고 밝혔다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr