'물리학 난제' 고온초전도체·초유체 비밀, 이번엔 풀릴까

국내 연구진이 현대 응집물질물리학의 화두인 고온초전도체나 초유체 현상의 비밀을 풀 실마리를 제시해 과학기술계 관심이 집중됐다.

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

'전자결정'은 헝가리 물리학자 유진 위그너가 1930년 대 제시한 이론이다. 위그너는 전자가 서로 밀어내는 힘 때문에 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 고체상태로 존재할 수 있다는 '위그너 결정'론을 제시했다. 이 이론으로 위그너는 1963년 노벨물리학상을 받았다.

전자결정 조각을 발견한 연세대 김근수 교수(왼쪽)와 제1저자인 박수빈 물리학과 연구원(석박사통합과정, 왼쪽에서 세번째.)이 미국 로렌스버클리국립연구소 'ALS 방사광가속기'에서 실험 결과를 확인한 뒤 기념촬영했댜.(사진=연세대)

김근수 교수는 지난 2021년 물리학계의 난제였던 ‘액체 금속의 전자구조’에서 제안한 이론 모델을 60년 만에 실측에 성공했다. 당시 김 교수는 흑린이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려 준 후 알카리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비를 이용해 측정했다.

이번엔 같은 방법으로 방사광가속기를 이용해 전자결정 조각을 세계 처음 찾았다.

이 연구는 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원을 받아 수행됐다. 2021년부터 오는 2017년까지 6년간 총 15억 원이 투입된다.

연구 결과는 국제학술지 '네이처' 10월 17일(현지시간 10월16일 오후 4시) 게재됐다.

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 힘으로 규칙적인 배열이 이루어져 움직일 수 없는 상태인 '전자결정'을 만들수 있으면 고온초전도체나 초유체와 같은 난제를 풀 단초가 될 것으로 물리학계가 보고 있다.

연세대 연구진이 발견한 고체와 액체의 특징을 모두 갖는 독특한 전자 상태.(그림=연세대)

고온초전도체는 영하 240도 이상의 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질을 말한다. 또 초유체는 극저온에서 점성이 사라지는 물질이다. 이들 두 물질은 양자컴퓨터나 의료, 반도체 등 다양한 분야에 활용 가능하다.

김근수 교수는 "방사광가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했다"며 "미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공했다"고 말했다.

방사광가속기는 미국 로렌스버클리국립연구소 'ALS 방사광가속기'를 활용했다.

전자결정 조각의 크기는 1~2㎚수준으로 머리카락 굵기의 1만분의 일보다 작다.

김 교수는 "이번 연구에서 발견한 전자 상태의 불규칙한 특성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 대표적인 특징과 유사하다"며 "이를 로톤(roton)이라 하는데, 오직 짧은 거리의 배열만 존재하는 결정 조각을 바탕으로 초유체와 로톤의 미시적 원리를 이해할 수 있을 것"으로 기대했다.