고체 물질에 '액체+고체' 전자결정 조각 발견 [지금은 과학]

노벨물리학상 받은 유진 위그너 제안, 국내 연구팀이 발견

투명한 파란공은 결정을 이룬 전자. 불투명한 검은공은 결정을 이루지 않은 채 남아 있는 전자. 흰색선으로 연결된 투명한 파란공들은 육각형 모양으로 오직 짧은 거리의 배열만 갖는 전자결정 조각을 이루고 있다. [사진=과기정통부]

[아이뉴스24 정종오 기자] 1963년 노벨물리학상을 받은 유진 위그너는 1930년대에 ‘전자결정(Wigner crystals)’이란 개념을 제시했다. 국내 연구팀이 고체 물질 속에서 액체와 고체의 특성을 모두 갖는 전자결정 조각을 발견했다.

김근수 연세대 교수팀은 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 ‘전자결정’ 조각을 발견했다고 17일 발표했다.

입자이자 파동인 전자가 결정을 이룬다면 그 자체로 신비로울 뿐 아니라 ‘10의 10승’개 이상의 많은 입자 사이 상호작용은 고온초전도체, 초유체 현상의 비밀을 풀 열쇠로써 현대 응집물질물리학의 중심 화두 중 하나이다.

김근수 교수가 16일 과기정통부 기자실에서 연구 성과를 설명하고 있다. [사진=정종오 기자]

이번 연구 결과는 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체, 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

전자를 결정상태로 만들 수 있으면 고온초전도체(영하 240도 이상 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질)나 초유체(극저온에서 점성이 사라지는 물질)와 같은 난제 해결의 열쇠가 될 수 있다. 수십 년 동안 물리학의 주요 화두가 됐다. 그동안 전 세계의 많은 연구자들이 연구해 왔다.

연구팀은 2021년 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견한 바 있다. 당시 연구 성과는 네이처지에 실렸다. 연구팀은 여기서 그치지 않고 도핑 농도를 조절하는 등 후속 연구를 지속했다.

그 결과 특정 도핑 농도에서 액체 성질뿐 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 전자결정 조각을 발견하기에 이르렀다.

발견한 전자결정을 입증하기 위해 연구팀은 방사광가속기(미국 로렌스버클리국립연구소의 ALS 방사광가속기)와 각분해광전자분광 장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했다. 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공했다.

이번 연구는 액체결정(액정) 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과라고 과학기술정보통신부 관계자는 강조했다. 관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과 비슷하다.

김근수 교수팀은 미국 로렌스버클리국립연구소의 ALS 방사광가속기 등을 통해 관련 연구를 입증했다. [사진=김근수 교수연구팀]

김근수 교수는 “지금까지 학계에서는 전자의 규칙적 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다”며 “이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 제3의 전자결정 상태를 인식하게 됐다는 점에서 이번 연구의 의의가 있다”고 말했다.

연구 성과(논문명: Electronic rotons and Wigner crystallites in a two-dimensional dipole liquid)는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 10월 17일자에 실렸다.

김 교수는 후속 연구계획에 대해 “이번 연구 결과를 바탕으로 물질의 저항이 사라지는 초전도체, 물질의 점성이 사라지는 초유체의 미시적 원리를 밝혀내고 물리학의 오랜 난제를 해결하고 싶다”고 말했다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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