고온 초전도체 비밀에 더 가까이…고체에서 '암흑 전자' 세계 최초 규명

4개의 파동이 서로 간섭하며 간섭무늬를 보여준다. 무늬에서 어둡게 나타나는 부분은 서로 다른 모양의 파동이 상쇄되어 전자가 '암흑 상태'에 있는 부분이다. 김근수 교수 제공

국내 연구팀이 국제공동연구를 통해 그동안 이론 예측에서는 존재가 불가능하다고 여겨진 고체 물질 속의 '암흑 전자'를 확인하는 데 성공했다. 암흑 전자의 역할을 밝히면 현대물리학 난제인 고온 초전도 메커니즘 규명에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수팀이 국제공동연구를 통해 세계 최초로 고체 물질 속 '암흑 전자'의 존재를 규명하고 연구결과를 29일 국제학술지 '네이처 피직스'에 공개했다고 밝혔다.

자연에는 물질이 빛을 흡수하거나 방출하지 않아서 관측이 매우 어려운 물질의 '암흑 상태'가 존재한다. 관측은 어렵지만 분명 존재하며 영향을 주기 때문에 자연의 암흑 상태 존재를 규명하는 것은 과학 난제를 해결할 때 매우 중요하다.

자연의 기본 입자인 전자도 암흑 상태로 존재할 수 있어 지금까지 원자나 분자 수준에서 발견됐다. 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속 전자는 무수히 많은 전자가 다양한 상태로 복잡하게 존재해 암흑 상태가 불가능할 것이라는 게 기존 이론의 예측이었지만 실제로는 보이지 않는 전자가 존재하는 것이 물리학계의 오랜 의문이었다.

연구팀은 고체에서 원자들이 미세한 단위 구조가 규칙적으로 반복되는 형태로 배열된다는 사실에 주목했다. 단위 구조에 같은 종류의 원자가 두 쌍씩 짝지어 대칭성을 가지는 '미끌림 거울 대칭성'을 가지면 전자들의 관계가 복잡하지 않고 4가지 종류로 단순해진다. 이때 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 것으로 추측한 것이다.

양자역학에 따르면 원자 주변의 전자는 파동으로 존재하며 서로 간섭한다. 잔잔한 물가에 돌을 여러 개 던졌을 때 각 동심원이 퍼져나가는 모양과 비슷하다. 이때 발생한 파도의 모양이 같게 포개져 높은 지점과 낮은 지점이 각각 일치하도록 합쳐지면 파도의 위아래 높이(진폭)가 커지는 '보강간섭'이 일어난다. 반대로 파도의 모양이 반대로 포개져 높은 지점과 낮은 지점이 합쳐지면 파도의 높이가 줄어들어 사라지기도 하는 '상쇄간섭'이 일어난다.

원자 두 쌍이 만든 전자 파동도 모두 같은 모양으로 포개지면(아래 그림의 광명 상태) '보강간섭'이 일어나 빛으로 관측할 수 있는 상태가 된다. 하지만 두 쌍이 서로 다른 모양으로 있는 나머지 3개 상황에서는(아래 그림의 암흑 상태) 항상 두 파동이 겹쳤을 때 '상쇄간섭'이 일어나 빛 에너지, 편광 등 어떤 측정 조건으로도 관측할 수 없는 암흑 상태의 전자가 형성된다.

고체 물질의 단위 구조에 규칙적으로 배열된 같은 종류의 원자 4개(2쌍)에서 전자 파동의 모양을 유형별로 나타낸 그림. 파동의 모양이 모두 같은 경우(왼쪽 위) 전자의 파동이 포개졌을 때 보강간섭이 일어나 빛으로 관측할 수 있는 '광명 상태'가 된다. 다른 3가지 경우는 서로 다른 모양의 전자 파동이 포개져 사라지는 상쇄간섭이 일어나 '암흑 상태'가 된다. 김근수 교수 제공

연구팀은 4년에 걸친 연구와 방사광가속기를 활용해 고온 초전도체 재료인 구리 산화물에서 그동안 관측이 어려웠던 전자가 암흑 상태였다는 사실을 밝혀내는 데 성공했다. 고체 물질에서 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 규명한 세계 최초의 연구결과다.

연구팀은 "고온 초전도체에서 관측할 수 없었던 암흑 전자를 밝혀냄에 따라 고온 초전도 메커니즘 규명에 한 걸음 더 다가선 것"이라고 말했다.

초전도는 매우 낮은 온도에서 물질의 저항이 사라지는 현상이다. 영하 240℃ 이하 극저온에서만 발견된 초전도 현상은 1986년 비교적 높은 온도에서도 일어나는 고온 초전도 현상이 발견됐다. 초전도 임계 온도를 상온에 가깝게 올릴 수 있다면 손실 없는 에너지, 저렴한 운송·진단기술 등 기술 혁신을 일으킬 것으로 기대된다.

김근수 교수는 "고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 그동안 설명할 수 없었던 양자 현상 이해의 단서"라며 "현대물리학의 오랜 난제인 고온초전도 비밀을 푸는 데 도전할 계획"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41567-024-02586-x

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]