국내 연구팀, 액체·고체 특징 모두 가진 ‘전자결정’ 첫 발견

고체 물질 속 전자가 액체와 고체 특징을 모두 가지고 있는 ‘전자결정’ 상태로 존재하는 것을 국내 연구팀이 세계 최초로 발견했습니다.

이론으로만 존재하던 전자결정의 존재를 밝혀내 고온 초전도체와 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 실마리가 될 수 있다는 기대가 나옵니다.

과학기술정보통신부는 연세대 물리학과 김근수 교수 연구팀이 이런 연구 결과를 오늘(17일) 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다고 밝혔습니다.

고체 물질 속에서 원자는 규칙적 배열을 이뤄 움직일 수 없지만, 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있는 전자는 흐름을 통해 전류를 만들어냅니다.

이들 전자는 기체 분자처럼 자유롭게 존재하지만, 음의 전하를 띤 만큼 서로 밀어내는 힘에 따라 규칙적인 배열을 만들어 움직일 수 없는 전자결정 상태가 될 수 있습니다.

이는 1963년 노벨 물리학상을 받기도 한 헝가리 물리학자 유진 위그너가 1930년대 ‘위그너 결정’으로 처음 제안한 이론입니다.

이 전자결정을 만들 수 있으면 영하 240도 이상 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질인 고온 초전도체나 극저온에서 점성이 사라지는 초유체 같은 물질의 비밀을 풀 수 있을 것으로 물리학계는 기대해 왔습니다.

전자의 상호작용이 물질의 저항이나 점성 같은 다양한 특성에 영향을 주는 만큼, 전자 간 상호작용을 이해하고 결정을 만들 수 있으면 이런 난제들도 풀릴 수 있기 때문입니다.

앞서 김 교수팀은 2021년 흑린에 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체 성질을 가진 전자 상태를 발견해 네이처에 발표했는데, 이번에는 여기서 나아가 특정 도핑 농도에서 액체 성질뿐 아니라 고체 성질도 동시에 갖는 전자 상태가 존재하는 것을 처음 발견했습니다.

김 교수는 어제 정부세종청사 과기정통부에서 열린 연구성과 브리핑에서 “어떤 물질이 액체에서 고체로 전이하는 과정도 보면 모든 물질이 고체로 전이하는 게 아니라 일부 고체가 듬성듬성 생겨나기 시작해 일종의 결정 조각들이 먼저 생겨난다”며 “이런 결정 형성과정을 거칠 것이라는 게 21세기 이론물리학자들이 예상했던 것이고 실험적으로 이를 처음 발견했다”고 설명했습니다.

연구팀은 전자결정의 존재를 입증하기 위해 강한 빛을 쪼이는 방사광가속기와 빛을 물체에 쪼이면 나오는 광전자의 정보를 분석하는 각분해광전자분광장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했습니다.

그 결과 기체나 고체일 경우 규칙성이 관측되는 것과 달리 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 에너지와 운동량 관계에서 관측하면서 전자결정의 존재를 입증했다고 김 교수는 설명했습니다.

이 조각의 크기는 1~2나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준으로, 머리카락 굵기의 만분의 일보다도 작습니다.

김 교수는 “지금까지 학계에서는 전자의 규칙적 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔는데 제3의 상태를 인식하게 된 것”이라며 결정의 특성을 이해하면 초전도체나 초유체의 특성을 이해하는 길로 나아갈 것으로 기대했습니다.

그는 “초전도체를 찾을 때 새 물질을 만들어 특성을 찾는 방법도 있지만, 무엇이 초전도 임계 온도를 높일 수 있는지 찾으면 물질 설계 가능성이 열린다”며 “전자결정 개념으로 고온 초전도 원리를 이해할 수 있다면 임계 온도 상승으로 이어질 수 있다”고 설명했습니다.

김 교수는 고온 초전도체에서 전자결정 조각이 나타나는 연구와 함께 흑린에 금속을 도핑하는 시스템을 고체물리 연구의 모델 시스템으로 구축하고 있다고 했습니다.

그는 “주기율표 2족 원소인 ‘알칼리 토금속’을 도핑하면 전자가 더 많이 주입되는 차이가 생긴다”며 “이런 것들을 통해 고체물리의 근본적 부분을 탐구하려는 게 연구실의 또 다른 중요한 연구 방향”이라고 말했습니다.

[사진 출처 : 연합뉴스 / 김근수 연세대 교수 제공]