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60년전 노벨상 이론으로 남은 '액체금속'의 비밀…韓과학자들이 밝혀내

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김근수 교수 연구팀, 액체금속 전자구조를 실험으로 확인…네이처 게재

뉴스1

액체 금속의 전자 구조가 발견된 결정 고체와 액체금속의 계면, 바닥 부분에 원자들이 규칙적으로 배열된 물질은 결정 고체를 나타내고, 그 위에 불규칙적으로 분포하는 액체 금속은 표면 도핑된 알카리 금속 원자들을 나타낸다. (연세대학교의 김근수 교수 연구팀 제공) 2021.08.04

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(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 액체 금속의 전자 구조가 국내 연구진에 의해 실험적으로 확인됐다. 연구진은 이번 연구 결과를 바탕으로 고온초전도 현상에 대한 이해를 더 깊게 할 실마리를 찾을 수 있다고 설명했다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대학교 교수 연구팀이 노벨물리학상 수상자 필립 앤더슨과 네빌 모트 등이 1960년대 이론 모델로 예측한 '액체 금속의 전자 구조'를 실험적으로 확인했다고 5일 밝혔다.

전자 구조는 물질 속 전자 파동의 에너지와 운동량(파수)의 상관관계를 의미하며, 전자 구조를 바탕으로 물질의 전기적, 광학적 특성을 이해할 수 있다.

과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터 등)의 지원으로 수행된 이번 성과는 국제학술지 네이처(Nature)에 5일 자로 게재됐다.

배열이 규칙적인 고체금속은 비교적 쉽게 전자구조를 설명할 수 있지만, 수은과 같은 액체금속은 자유자재로 형태를 바꿀 수 있어 그 전자구조를 설명하는 것이 매우 까다롭다.

'액체 금속의 전자구조'는 노벨물리학상 수상자인 필립엔더슨과 네빌모트가 1960년 이론 모델은 고안했지만, 지난 반세기 동안 실험적으로 확인되지 못했다.

김근수 교수 연구팀은 액체금속을 직접 측정하는 과거의 방식과는 달리, 결정고체 위에 알칼리 금속을 분사해 그 사이에 경계면을 관측하는 방식으로 액체금속의 전자구조를 확인하는 데 성공했다.

연구팀은 검은인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알칼리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려줬고 알칼리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비를 이용해 간접적으로 측정했다.

이렇게 하면 흑린에 도핑된 알칼리 금속이 일정 정도의 평균거리를 갖게 돼 액체상태에 가깝게 분포하게된다. 결정고체인 검은 인의 전자들이 불규칙하게 분포된 알칼리 금속의 원자들에 의해 공명산란돼 '액체금속의 전자구조'와 같은 특징을 갖는 것이다.

그 결과, 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 유사갭을 발견했다.

이번 연구를 통해 '유사갭'을 설명할 수 있게 되면, 응집물리학의 풀리지 않는 난제 중 하나인 고온 초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것이라 기대된다.

만약 고온초전도 현상의 메커니즘을 규명해 상온 초전도 개발에 성공한다면 자기부상열차, 전력수급난 해결, MRI와 같은 의료용 진단기기에도 혁신을 가져올 수 있다.

김근수 교수는 "불규칙하게 배열된 이종 원자들과의 충돌 효과로 유사갭을 설명할 수 있다"며 "고온초전도 현상을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것"이라고 의의를 밝혔다.

이어 그는 "한국 소속 기관으로 네이처(Nature)나 사이언스(Science)와 같은 저명 학술지에 논문을 제출하면 심사 과정에서 의심 어린 눈초리를 받는 경우가 허다하다"며 "기초과학 불모지인 한국에서 이런 성과가 나올 리 없다는 것이다. 이번 논문에 대한 심사 과정에서도 일부 그런 편견을 극복해야 했다"고 후일담을 전했다.

이번 연구에는 류세희 박사, 허민재 박사과정, 박도윤 박사과정 등이 참여했다.
seungjun241@news1.kr

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