세계 최초로 액체와 고체의 경계 허문 전자결정 발견, 물리학 난제 해결 기대

 

 

연세대학교 김근수 교수 연구팀이 고체 물질 내에서 전자가 액체와 고체의 특성을 모두 지닌 ‘전자결정 조각’을 세계 최초로 발견했다. 이 혁신적 발견은 고온초전도체와 초유체 같은 물리학의 오랜 난제에 대한 해답을 찾는 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구팀의 이번 연구는 10월 17일자 '네이처(Nature)'에 실렸다.

 

고체 물질 속 전자결정 조각들을 형상화한 그림

 

고체 물질에서는 원자들이 규칙적으로 배열되어 움직일 수 없으나, 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 움직인다. ‘전자결정’은 전자들이 규칙적인 배열을 이루는 상태를 의미하며, 이 상태는 1963년 노벨 물리학상을 수상한 유진 위그너에 의해 처음 제안되었다. 위그너는 전자들이 서로 밀어내는 힘을 고려해 전자가 결정처럼 배열된 상태를 이론적으로 예측했으며, 이러한 상태를 발견할 경우 고온초전도체 및 초유체 현상에 대한 이해를 획기적으로 확장할 수 있을 것이라고 했다.

이번 연구의 핵심은 전자가 고체의 특성과 액체의 특성을 동시에 갖는 ‘전자결정’을 발견했다는 점이다. 전통적으로 물리학에서는 전자가 고체의 특성을 가지는지, 또는 액체의 특성을 가지는지 명확하게 구분하는 이분법적 시각이 지배적이었다. 그러나 김근수 교수 연구팀은 고체 속에서 전자가 동시에 두 가지 성질을 나타내는 새로운 상태를 발견함으로써 기존 이론을 넘어서는 성과를 이뤄냈다.

 

전자결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터

 

연구팀은 2021년에 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 전자의 액체 상태를 발견한 바 있는데, 이번 연구에서는 도핑 농도를 조절하여 전자가 고체의 성질까지 동시에 가지는 특성을 확인했다. 이 연구 결과는 고온초전도체와 같은 복잡한 물리 현상을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.

 

이번 발견을 위해 연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광 장비를 사용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀하게 측정했다. 이를 통해 전자결정 조각이 형성되었을 때 나타나는 특유의 불규칙성을 관측하는 데 성공했다. 이 불규칙성은 물질이 점성을 잃는 초유체의 특징과도 유사하며, 이로 인해 연구팀은 전자결정이 새로운 형태의 물질 상태임을 입증할 수 있었다.

김근수 교수는 이번 연구에 대해, “지금까지 물리학계는 전자의 배열이 규칙적인 경우와 그렇지 않은 경우를 이분법적으로 인식해 왔다”며, “이번 연구는 짧은 거리에서만 규칙적인 배열이 존재하는 제3의 전자결정 상태를 발견했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

 

이번 성과는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원을 통해 이루어졌으며, 김 교수 팀의 연구는 선행 연구를 발전시킨 결과다. 과기정통부는 이 성과를 바탕으로 내년 기초연구 지원 사업을 역대 최대 규모인 2.34조 원으로 편성하고, 국내 연구 생태계를 더욱 강화할 계획을 밝혔다.

 

이 연구는 물리학에서 고온초전도체와 초유체 현상을 설명하는 데 있어 중요한 도약이 될 수 있다. 고온초전도체는 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질을 말하며, 초유체는 극저온에서 점성이 사라지는 물질을 뜻한다. 이 두 현상은 기존의 물리학 이론으로 설명하기 어려운 복잡한 특성을 지니고 있으며, 이번 연구는 이러한 난제들을 풀어가는 데 중요한 발판이 될 것으로 보인다.

 

 

 

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