연세대, 고체 물질 속 빛으로 관측할 수 없는 '암흑 전자' 존재 규명

물리학 난제 중요한 단서 찾아

[이데일리 강민구 기자] 과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 규명했다고 29일 밝혔다.

김근수 연세대 교수.(사진=과학기술정보통신부)

자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측하기 어려운 암흑 상태가 존재한다. 이는 다양한 자연 현상에 영향을 주기 때문에 확인되지 않은 암흑 상태 존재 규명은 인류가 정복하지 못한 여러 난제 해결의 실마리를 제시할 수 있다.

지금까지 발견된 암흑 상태의 전자는 원자나 분자에 존재했다. 상당수 연구자는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속의 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다.

연구팀은 같은 종류의 원자가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구하던 중 이를 두 쌍으로 확장하면 어떤 조건에서도 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 것이라고 추측했다.

이후 4년 동안 연구하면서 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안하고, 방사광가속기로 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀냈다.

연구팀은 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있다는 사실도 확인했다.

고체 물질의 원자들은 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류의 원자 네 개가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우, 전자 간 상쇄간섭이 발생하여 어떠한 측정 조건(빛 에너지, 편광, 입사 방향 등)으로도 관측할 수 없는 암흑 상태의 전자가 형성되는 것으로 나타났다.

김근수 연세대 교수는 “고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”며 “앞으로 현대 물리학의 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는데 도전할 계획”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 29일자로 게재됐다.

고체 물질 속 전자의 암흑 상태.(자료=과학기술정보통신부)

강민구 (science1@edaily.co.kr)