고체·액체 성질 함께 가진 '전자 결정' 최초 발견…물리학 난제 풀 단서

파란 공은 결정을 이룬 전자를, 검은 공은 결정을 이루지 않은 채 남아있는 '전자의 바다'를 나타낸다. 흰색 선으로 연결된 파란 공들은 육각형으로 짧은 거리의 배열만 갖는 전자 결정 조각을 이룬다. 김근수 연세대 교수 제공

국내 연구팀이 현대 물리학의 난제인 고온초전도체와 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 단서로 주목받는 '전자 결정 조각(electronic crystallites)'을 처음으로 발견하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수팀이 고체 물질 속에서 원자 크기의 전자 결정을 처음으로 발견하고 연구결과를 16일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다고 17일 밝혔다.

결정은 고체를 이루는 원자나 분자가 일정한 격자 형태로 배열된 상태 말한다. 이때 원자나 분자는 움직일 수 없지만 전자는 기체처럼 자유롭게 움직이기 때문에 전압을 걸어주면 전자들이 흐르면서 전류가 발생한다.

1963년 노벨물리학상을 수상한 헝가리의 이론물리학자 유진 위그너는 전자 사이의 반발력이 충분히 강하면 전자도 결정화할 수 있다고 제안했다. 전자들이 규칙적인 배열을 이루고 움직이지 않는 전자 결정 상태가 존재할 수 있다는 뜻이다. 이를 위그너 결정(Wigner crystals)이라고 부른다.

전자를 결정상태로 만들면 영하 240℃ 이상의 상대적 고온에서 전류가 흐를 때 저항이 사라지는 고온초전도 현상이나 극저온에서 점성이 사라지는 초유체 현상 같은 물리학 난제를 해결하는 데 단서가 될 것으로 기대됐다. 수십 년간 전 세계 과학자들이 전자 결정을 연구한 이유다.

지난 2021년 연구팀은 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체 성질을 가진 전자 결정 상태를 발견해 연구결과를 네이처에 공개한 바 있다. 이후 후속 연구를 통해 도핑 농도를 조절한 결과 특정 도핑 농도에서 전자 결정이 액체와 고체 성질을 동시에 갖는 전자 결정을 발견했다. 전자 결정 조각의 크기는 1~2nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m) 수준이다. 

연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정하고 전자 결정에서 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공했다. 전자 결정의 발견을 입증한 셈이다. 발견된 불규칙성은 초유체 특징과도 유사했다.

전자 결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터. 세로축은 전자의 에너지를, 가로축은 전자의 운동량을 나타낸다. 입자가 규칙적으로 배열된 고체 속 전자는 규칙적인 모양의 그래프를 나타내지만 연구팀의 실험 데이터는 0번, 2번, 4번 지점의 에너지가 서로 다르고 운동량 간격도 일치하지 않는 불규칙성을 보였다. 이 불규칙성은 짧은 거리의 전자 배열이 존재할 때 나타날 것으로 예상되는 특징이다. 김근수 연세대 교수 제공

김 교수는 "전자들의 배열이 규칙적으로 완벽한 경우(위그너 결정)를 고체 상태, 규칙적인 배열이 전혀 없는 경우를 기체 상태에 비유한다면 짧은 거리에서만 결정 배열이 있는 전자 결정은 액체 결정(액정, liquid crystal)에 비유할 수 있다"고 설명했다.

이번 연구결과는 액정상태와 비슷한 전자 결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구결과다. 김 교수는 "지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있거나 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다"며 "짧은 거리의 결정 배열만 존재하는 제3의 전자 결정 상태를 인식하게 됐다는 점이 이번 연구의 의의"라고 설명했다.

이어 "이번 연구 결과를 바탕으로 초전도체와 초유체의 미시적인 원리를 밝혀내고 물리학의 오랜 난제를 해결하는 것이 목표"라고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-024-08045-0
- doi.org/10.1038/s41586-021-03683-0

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]