▲전자결정 관련 기존 선행 연구와의 차별성을 나타내는 그림.
김근수 연세대 교수
이번 연구 성과가 이날 <네이처>에 게재되어 전 세계에 알려지기 앞서 전날(16일) 김근수 교수가 정부세종청사 과기정통부 브리핑룸을 찾아 연구 성과를 이해하기 위한 브리핑을 진행했다.
먼저 김 교수에 따르면 고체 물질은 원자로 구성되는데, 그 원자들은 매우 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 반면, 전자들은 서로 밀어내는 힘으로 마치 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있다고. 이 때문에 전압을 걸어 전자들의 흐름을 만들어 주면 전류가 발생한다는 것.
또 원자에 붙어 있는 전자들(모든 전자는 아님)은 일부 고체 안에서 자유롭게 움직일 수가 있다. 예를 들면, 반도체 기술에서 전기 신호로 활용하는 전류 같은 것들을 간단하게 물질에 전압을 거는 방법을 통해서 쉽게 전자를 이동시킬 수 있기 전기 신호를 발생시킬 수가 있다고 한다.
따라서 전자를 결정 상태로 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 있다고 한다. 이는 수십 년간 물리학의 주요 화두가 됐고, 그동안 전 세계의 수많은 연구자들이 연구해오고 있다는 것이 김 교수의 설명이다.
그러던 와중에 연세대 김 교수 연구팀이 2021년에 '알칼리 금속'을 도핑한 물질에서 '액체의 성질을 가진 전자 상태'를 발견했고, 당시 연구 성과는 국제학술지인 <네이처(Nature)>지에 게재됐다.
이후에도 연구팀은 여기서 그치지 않고 도핑 농도를 조절하는 등 후속 연구를 지속적으로 수행했으며, 그 결과로 특정 도핑 농도에서 액체의 성질뿐만 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 '전자결정 조각'을 발견하기에 이르렀다.
결국 김 교수 연구팀은 발견한 전자결정을 입증하기 위해 '방사광가속기'와 '각분해광전자분광' 장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했고, 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공해냈다.