세계 최초로 고체 ‘암흑 전자’ 규명... 고온 초전도 현실화 첫걸음 될까

같은 종류의 원자가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 때 발생하는 전자 파동의 간섭 무늬. /김근수 연세대 교수

고온 초전도체인 구리산화물의 일부 전자가 관측되지 않는 이유가 고체에 ‘암흑 전자’가 존재하기 때문이라는 연구 결과가 나왔다. 향후 암흑 전자가 고온 초전도에 어떤 역할을 하는지 규명되면, 고온 초전도 물질 설계도 가능할 것이라는 기대가 나온다.

과학기술정보통신부는 “김근수 연세대 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 전자가 고체 물질 속에서도 암흑 상태로 존재할 수 있다고 세계 최초로 규명했다”고 29일 밝혔다. 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)으로 지원된 이번 연구 성과는 이날 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 게재됐다.

과학계에서는 고체 물질 속의 전자는 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 상태’로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔는데, 이번 연구가 이런 통념을 깨고 고체에도 암흑 전자가 있을 수 있다고 밝힌 것이다. 연구진은 고체 속 전자가 암흑 상태로 존재하는 핵심 요인이 원자들의 독특한 배열이라고 했다. 같은 종류의 원자 네 개가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우, 전자 간 상쇄간섭이 발생해 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’가 존재하게 된다는 것이다.

김근수 연세대 교수는 “우리 주변의 많은 물질에 암흑 전자가 존재한다는 사실을 밝혀낸 연구 결과”라며 “현대 물리학의 오랜 난제인 고온 초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 했다. 김 교수는 “고온 초전도 메커니즘을 정복하면 초전도 임계 온도를 끌어올릴 수 있도록 물질을 설계할 수 있어 에너지와 운송, 의료용 진단 기술에서 혁명적 변화가 올 것”이라고 했다.