세계 최초, 고체물질 속 액체+고체 특성 지닌 '전자결정 조각' 발견

고체 물질 속 '전자결정 조각'들을 형상화한 그림 투명한 파란공은 결정을 이룬 전자를 나타내고, 불투명한 검은공은 결정을 이루지 않은 채 남아있는 전자를 나타낸다. 흰색선으로 연결된 투명한 파란공들은 육각형 모양으로 오직 짧은 거리의 배열만 갖는 전자결정 조각을 이루고 있다. / 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수 — ▲**고체 물질 속 '전자결정 조각'들을 형상화한 그림**투명한 파란공은 결정을 이룬 전자를 나타내고, 불투명한 검은공은 결정을 이루지 않은 채 남아있는 전자를 나타낸다. 흰색선으로 연결된 투명한 파란공들은 육각형 모양으로 오직 짧은 거리의 배열만 갖는 전자결정 조각을 이루고 있다. / 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수김근수 연세대학교 교수

고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 '전자결정(Wigner Crystallites)' 조각을 세계 최초로 김근수 연세대 교수 연구팀이 발견했다.

이는 1963년 노벨 물리학상을 수상한 유진 위그너가 1934년에 이론적으로 예측한 '전자결정'(다른 전문용어로 '위그너 결정') 모델을 90년 만에 실제로 실험적으로 입증한 것이다.

과학기술정보통신부(장관 유상임, 아래 과기정통부)는 17일 김근수 연세대학교 교수(물리학과) 연구팀이 이같이 새로운 전자결정 상태를 발견했다고 알리면서 "현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체 및 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

그러면서 이번 연구의 성과에 대해 "마치 액체결정(액정) 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과"라며 "관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과도 유사하다"고 설명했다.

김근수 교수는 사전 보도자료를 통해 "지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다"면서 "이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 '제3의 전자결정' 상태를 인식하게 되었다는 점에 이번 연구의 의의가 있다"고 자평했다.

▲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.

전자결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터 방사광가속기와 각분해광전자분광으로 측정한 데이터로 세로축은 전자의 에너지를, 가로축은 전자의 운동량을 나타낸다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체의 전자는 규칙적인 그래프를 보인다. 하지만 측정된 데이터는 0번, 2번, 4번 지점의 에너지가 서로 다르고, 운동량 간격도 일치하지 않는 등 불규칙성을 보인다. 이는 전자결정 조각과 같이 오로지 짧은 거리의 배열만 존재할 때 나타날 것으로 예상되는 특징이다. / 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수 — ▲**전자결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터**방사광가속기와 각분해광전자분광으로 측정한 데이터로 세로축은 전자의 에너지를, 가로축은 전자의 운동량을 나타낸다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체의 전자는 규칙적인 그래프를 보인다. 하지만 측정된 데이터는 0번, 2번, 4번 지점의 에너지가 서로 다르고, 운동량 간격도 일치하지 않는 등 불규칙성을 보인다. 이는 전자결정 조각과 같이 오로지 짧은 거리의 배열만 존재할 때 나타날 것으로 예상되는 특징이다. / 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수김근수 연세대 교수

김 교수는 16일 브리핑에서 "고체 물질 연구 중에서도 고체 물질 안의 전자들이 형성하는 어떤 결정 조각들을 발견한 것"이라며 "전자가 고체 물질 안에 1개만 존재하지 않는데, 고체 물질의 물성을 완벽하게 이해하기 위해 반드시 필요한 것 하나가 바로 전자들, 수많은 전자들 간의 상호작용을 이해하는 것"이라고 설명했다.

이어 "바로 이 부분이 사실 '고체물리학' 이론에서 명확하게 풀어내기가 굉장히 어렵기 때문에 현대 고체물리학의 가장 중심 화두 중 하나로 '전자 간의 상호작용'을 이해하는 것"이라며 "이 전자 간의 상호작용을 고려하면, 예상하지 못했던 새로운 현상이 벌어질 수 있다는 것을 헝가리 출신의 물리학자 유진 위그너가 1930년대에 이론적으로 제안했다"고 소개했다.

이것이 바로 '전자결정(또는 위그너 결정)' 모델이며. 이번에 김 교수 연구팀이 발견한 것은 '전자결정'뿐만 아니라 이 전자결정이 미세하게 조각 나 있는 상태를 실험적으로 입증해낸 것이다.

▲연구를 주도적으로 수행한 제1저자 박수빈 학생이 미국 버클리 ALS 방사광가속기 연구소에서 실제로 실험하고 있는 모습.김근수 연세대 교수

김 교수는 "이름하여 '전자결정의 조각'이라고 표현을 하는 것은, 액체 상태에서 고체 상태로 단번에 전이가 일어나는 것이 아니라 전자결정의 경우도 결정 조각들이 먼저 형성되는 과정을 거친다는 것"이라며 "2000년대 들어 많은 이론물리학자들이 하나의 이론으로 예상을 했던 바이고, 저희 연구 결과는 바로 전자결정 조각을 실험적으로는 처음 발견한 것"이라고 강조했다.

나가아 김 교수는 "앞으로 뭔가 고온초전도라든지, 아니면 초유체와 같은 메커니즘을 이해하는 데 있어서 단초 역할을 할 수 있지 않을까 기대하고 있다"면서 "그런 차원에서 저희의 연구 결과가 전자결정 조각이라는 개념을 통해 만에 하나 고온초전도의 메커니즘의 이해로 이어질 수 있다면, 종국에는 임계온도 상승으로 다 이어질 수가 있기 때문에 이것이 무언가 거대한 흐름의 시발점을 만들 수 있다"고 전망했다.

안태규 한국연구재단 자연과학단장은 "김 교수 연구팀의 연구 성과는 (2차원 물질 중 하나인) 흑린(Black Phosphorus, 가장 안전한 형태의 물질) 결정에서 알칼리 이온을 집어넣고 그걸 이용해서 전자결정 조각을 만들어 냈고, 여기서 나온 전자결정 조각을 실제 실험적으로 입증했다"며 "이는 다양한 응용을 할 수 있는데, 초액체, 초유동체, 초전도체 등에 활용할 수 있다"고 평가와 기대를 전했다.

이번 연구는 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원으로 수행했으며, 연구 성과는 국제학술지 <네이처(Nature)>에 10월 17일 자정(현지시간 10월 16일 오후 4시, GMT) 게재됐다.

한편, 과기정통부는 이번 김 교수 연구팀이 성과를 거둘 수 있는 기반으로 '2021년 연구성과 역시 과기정통부 기초연구사업(중견연구)의 지원을 꼽으면서 "선행 연구의 성과가 후속 연구를 통해 심화·발전되어 자연 현상의 근원에 더욱 근접한 연구가 가능했다"고 강조했다.

그러면서 "'지식의 탐색과 확장'이라는 기초연구 본연의 목적에 충실하면서도 국내 연구생태계를 더욱 튼튼히 할 수 있도록 내년(2025년) 기초연구 지원 사업을 역대 최고 수준인 2조3400억 원(정부예산(안) 기준, 국회 심의중) 규모로 편성했다"며 "조만간 사업 추진을 위한 구체적인 계획을 발표할 예정"이라고 전했다.

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