초전도체 비밀의 열쇠를 찾았다

연세대 김근수 교수팀, 세계 최초 액체·고체 특성 모두 갖는 전자결정 조각 발견

고체 물질 속 전자결정 조각들을 형상화한 그림으로 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. 연세대 김근수 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 연세대학교 김근수 교수팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자가 액체와 고체의 특징을 모두 가지고 있는 '전자결정 조각'을 발견했다. 이는 고체물질의 저항이 사라지는 '초전도체'나 액체 점성이 사라지는 '초유체'의 비밀을 풀어낼 중요한 단서가 될 것으로 보고 있다.

김근수 교수팀은 과학기술정보통신부의 기초연구사업중 글로벌 리더연구 지원을 받아 1963년 노벨 물리학상 수상자인 유진 위그너가 이론적으로 예측했던 전자결정 조각을 실제 입증하고 이를 17일(한국시간) 세계적인 국제 과학 학술지 '네이처'에 발표됐다.

우리가 알고 있는 고체 속 원자들은 항상 일정한 자리에 고정돼 움직이지 않는다. 하지만 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 때문에 전압을 걸어 전자들이 한 방향으로 흐르게 만들면 전류가 발생하면서 전기가 생산된다.

전자를 결정상태로 만들 수 있으면 고온초전도체나 초유체와 같은 난제 해결의 열쇠가 될 수 있기 때문에 수십 년간 물리학의 주요 화두가 되었고, 그동안 전 세계의 수많은 연구자들이 연구해왔다.

연구진은 지난 2021년 알칼리 금속인 소듐, 포타슘, 루비듐, 세슘 등을 첨가한 흑린에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견했다. 이번에는 알칼리 금속이 첨가량을 조절해 액체 뿐만아니라 고체 성질까지 함께 갖는 전자결정 조각을 발견한 것이다. 즉 고체처럼 전자들이 규칙적인 배열을 하고 있으면서도 액체처럼 부드럽게 움직일 수 있는 상태였다. 이는 마치 전자가 퍼즐 조각처럼 딱 맞춰져 있음에도 여전히 자유롭게 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

연구진은 이를 입증하기 위해 방사광가속기와 각분해광전자분광장치를 이용해 정밀 측정했다. 그결과 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측했다.

이 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과 매우 비슷하다.

김 교수는 "지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다"며, "이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 제3의 전자결정 상태를 인식하게 됐다는 점에 이번 연구의 의의가 있다"고 말했다.

한편 과기정통부 관계자는 "2021년에 발표했던 연구 성과가 이후 이어지는 연구를 통해 심화·발전돼 자연 현상의 근원에 더욱 근접한 연구가 가능했다"고 밝혔다. 이와관련 과기정통부는국내 기초연구 생태계를 튼튼히 할 수 있도록 내년 기초연구 지원 사업을 역대 최고 수준인 2.34조원(정부예산(안) 기준, 국회 심의중) 규모로 편성하고, 조만간 사업 추진을 위한 구체적인 계획을 발표할 예정이다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자