KAIST "전자무늬 탄생·소멸 영상화…양자현상 비밀 규명 실마리"

초전도 현상 등 물질 내부 양자 현상의 비밀은 전자가 언제 '함께 움직이고', 언제 '흩어지는지'에 있다. 국내 연구진이 전자가 질서를 만들고 깨뜨리는 순간을 눈으로 직접 확인하는 데 성공했다.

KAIST는 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대와 공동연구를 진행해 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)가 형성되고 사라지는 과정을 공간적으로 시각화하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

전하밀도파는 특정 양자물질을 매우 낮은 온도로 식혔을 때 전자가 마치 군무를 추듯 일정한 간격으로 늘어서며 이루는 줄무늬 또는 그물 무늬 같은 패턴을 말한다.

액체헬륨 기반의 극저온 환경에서 4차원 주사투과전자현미경을 이용해 양자물질에 형성된 전하밀도파의 공간적 변화를 측정하는 실험을 시각화한 이미지. KAIST 제공(AI 생성)

초전도 상태는 에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 상태로 아주 낮은 온도에서 특정한 물질에서만 나타난다. 마이너스(-) 전하를 띠는 전자는 일반 환경에서 서로 밀어내지만, 초전도 상태의 전자는 둘씩 짝을 이뤄 움직이는 것으로 알려졌다. 이 성질은 MRI 병원 검사 기계와 자기부상열차 등에 이미 활용되고 있다.

이처럼 전하가 서로 강하게 얽혀 만들어내는 특별한 양자상태는 양자컴퓨터 등 차세대 양자 기술의 기반이 된다.

이때 초전도 현상 등 극저온 양자 현상을 양자컴퓨터에 활용하기 위해선 물질 속 전자를 원하는 대로 정밀하게 제어하는 기술이 필수다. 하지만 극저온 환경에서 전자가 만들어 내는 전하밀도파의 무늬 패턴이 어떻게 생기고 사라지는지를 직접 관찰하기 어려워 이러한 과정은 베일에 싸여 있었다.

전자 무늬의 생성·소멸의 비밀을 풀어내기 위해 공동연구팀은 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)을 이용했다. 이는 물이 얼면서 얼음 결정이 자라는 모습을 초고배율 카메라로 촬영하는 것과 비슷한 원리다.

다만 물 대신 영하 253도의 극저온에서 전자가 배열되는 모습을 관찰하고 카메라 대신 머리카락 굵기의 1/10만까지 들여다볼 수 있는 전자현미경을 사용했다는 점이 다르다.

이러한 방식으로 전자 무늬의 변화를 실시간 관찰한 결과 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 나타나지 않았다. 어떤 영역에서는 선명한 무늬가 나타났지만 바로 옆에서는 전혀 나타나지 않았다. 흡사 호수가 한 번에 얼지 않고 얼음과 물이 섞여 있는 것과 같은 양상이다.

KAIST 연구팀 단체 사진. KAIST 제공

공동연구팀은 이러한 현상이 물질 내부의 아주 미세한 변형(strain)과 깊이 연결돼 있다는 사실도 밝혀냈다. 육안으로 확인하기 어려운 작은 압력이나 뒤틀림이 전자 무늬의 형성을 방해한다는 것이 핵심이다.

반대로 일부 영역에서는 온도가 올라가도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않고 남아 있는 현상도 관찰됐다. 이는 작은 섬처럼 고립된 '양자 질서'가 고온에서도 유지되는 것과 같은 양상으로 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 영역이다.

공동연구팀은 전하밀도파 전자 무늬를 이루는 전자가 서로 얼마나 멀리까지 영향을 주는지도 정량적으로 밝혀냈다. 이는 단순히 '무늬가 있다, 없다'를 넘어 전자 질서가 어떻게 연결되고 유지되는지를 이해할 단서로 양자물질 연구에 새로운 분석 틀을 제시한 성과로 평가받는다.

양용수 교수는 "그간 이론이나 간접 측정에 의존했던 극저온에서의 전자 질서와 양자상태의 미세한 변화를 이제는 육안으로 직접 확인할 수 있게 됐다"며 "이번 연구는 양자물질의 숨겨진 질서를 밝혀냄으로써 미래 양자 기술의 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구가 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 홍석조·오재환·박제민 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 성과(결과)는 물리학 분야 국제 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 지난 6일 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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