'암흑전자' 첫 확인..."혁명적 고온초전도 구현 기대감"

연세대, 미국·영국·캐나다 연구진과 공동으로 규명

고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없던 '암흑전자' 존재가 세계 처음 확인됐다.

그동안 설명 불가능했던 양자현상에 대한 단서를 제공할 수 있어 과학기술계는 40년간 풀리지 않던 고온초전도의 전자 메커니즘 규명이 가능할 것으로 기대했다.

과학기술정보통신부는 연세대학교 김근수 교수 연구팀이 국제 공동연구(미국·영국·캐나다)로 세계 처음 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 규명했다고 29일 밝혔다.

이 연구는 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원을 받았다. 연구 성과는 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'(29일자)에 게재됐다.

고체 물질 속 전자의 암흑 상태. 같은 종류의 원자 네 개가 짝을지어 대칭을 이룰 때 발생하는 전자 파동의 간섭 무늬를 보여준다. 이 그림에서 어둡게 나타나는 부분이 상쇄간섭 결과로 전자의 암흑 상태에 비유할 수 있다.

그동안 과학기술계는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속에서 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다.

암흑 상태는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 상태를 말한다.

4년전 첫 예측 뒤 규명방법 모색…결국 구리 산화물에서 암흑 전자 확인

연구팀은 4년 전, 같은 종류의 원자가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구하던 중, 이를 두 쌍으로 확장하면 어떤 조건에서도 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 것으로 추측했다.

이후 고민을 거듭한 연구팀은 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안했다. 방사광가속기를 활용해 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀내는 데 성공했다.

이는 고체 물질 속에서도 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 규명한 세계 최초의 결과다.

또한 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있다는 사실도 밝혀냈다.

고체 물질을 구성하는 원자들은 미세한 단위 구조가 규칙적으로 반복되는 형태로 배열돼 있다.

이 단위 구조에는 같은 종류(원소)의 원자가 네 개 존재한다. 또 이들의 위치가 두 쌍씩 짝을 지어 4가지 형태로 ‘미끌림 거울 대칭성'을 갖는다.

연세대 암흑전자 연구진. 왼쪽부터 김근수 물리학과 교수와 김예린,김민수 석박사통합과정생, 그리고 정윤아 로렌스버클리국립연구소 박사후연구원.

미끌림 거울 대칭성은 어떤 물체나 패턴을 특정 방향으로 이동시켰을 때, 그 모양이나 배열이 변하지 않는 특성을 말한다.

네가지 형태 중 한 경우에는 전자 파동이 모두 한 방향을 향해 보강 간섭이 일어나고, 관측 가능한 광명 상태(bright state)가 된다.

반면 나머지 세 종류의 경우에는 두 전자 파동은 위를 향하고, 두 전자 파동은 아래를 향하기 때문에 상쇄 간섭이 발생해 어떠한 측정 조건(빛의 에너지, 편광, 입사 방향 등)에서도 관측할 수 없는 암흑 상태(dark state)의 전자가 형성되는 것이다.

양자현상 이해할 단서 제공 가능

연세대 김근수 교수는 “고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어, 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”고 설명했다.

김 교수는 또 “이번 성과를 바탕으로 현대 물리학의 40년 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 밝혔다.

현대 물리학의 난제가 바로 고온초전도 현상이다. 대표적인 고온초전도체인 구리산화물의 전자를 빛으로 측정하면 이론 예측과는 달리 일부 전자가 보이지 않는 현상이 지난 40년간 풀리지 않는 의문이었다. 

초전도가 나타나는 온도를 상온까지 끌어 올리면 에너지, 발열 방지, 운송, 의료 등에 혁명적 변화를 가져올 수 있다.