연세대 김근수 교수팀, 세계 최초로 새로운 `전자결정` 조각 발견

연세대 김근수 교수팀, 세계 최초로 새로운 '전자결정' 조각 발견

투명한 파란공은 결정을 이룬 전자를 나타내고, 불투명한 검은공은 결정을 이루지 않은 채 남아있는 전자를 나타낸다. 흰색선으로 연결된 투명한 파란공들은 육각형 모양으로 오직 짧은 거리의 배열만 갖는 전자결정 조각을 이루고 있다. 그림 설명 및 제공 : 김근수 연세대 교수

국내 연구진이 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체와 고체의 특징을 모두 가진 '전자결정' 조각을 발견했다. 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체(영하 240℃ 이상 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질) 및 초유체(극저온에서 점성이 사라지는 물질) 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

16일 과학기술정보통신부는 "연세대 김근수 교수 연구팀이 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원을 받아 수행한 연구에서 새로운 전자결정 상태를 발견했다"면서 "이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 16일(현지시간) 게재됐다"고 밝혔다.

고체 물질에서는 원자가 고정된 배열을 이루지만 전자는 자유롭게 움직여, 전압을 걸어 전류를 발생시킬 수 있다. 1963년 노벨 물리학상을 받은 헝가리 물리학자 유진 위그너는 전자가 서로 밀어내는 힘에 의해 규칙적인 배열을 이루는 '전자결정' 상태를 이론적으로 제안했다. 이 상태는 고온초전도체나 초유체와 같은 현상을 이해하는 열쇠로 여겨져 수십 년 동안 주요 연구 과제로 다뤄졌다.

방사광가속기와 각분해광전자분광으로 측정한 데이터로 세로축은 전자의 에너지를, 가로축은 전자의 운동량을 나타낸다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체의 전자는 규칙적인 그래프를 보인다. 하지만 측정된 데이터는 0번, 2번, 4번 지점의 에너지가 서로 다르고, 운동량 간격도 일치하지 않는 등 불규칙성을 보인다. 이는 전자결정 조각과 같이 오로지 짧은 거리의 배열만 존재할 때 나타날 것으로 예상되는 특징이다. 그림 설명 및 제공 : 김근수 연세대 교수

김근수 교수 연구팀은 2021년에도 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체 성질을 지닌 전자 상태를 발견했다. 이번 연구는 그 후속으로 진행됐다. 연구팀이 도핑 농도를 조절했고, 이번에는 고체 성질도 함께 나타나는 전자결정 조각을 발견하는 데 성공했다.

연구팀은 "전자결정을 입증하고자 방사광가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했고, 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공했다. 이는 마치 액체결정(액정) 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과이며, 관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과도 유사하다"고 설명했다.

김근수 교수는 "기존 물리학은 전자 배열 유무를 이분법적으로 인식해 왔다"며 "이번 연구를 통해 전자가 짧은 거리에서만 규칙적 배열을 이루는 제3의 상태를 새롭게 인식하게 된 것이 큰 의의"라고 밝혔다.