현대물리학 대표 난제 중 하나인 고온초전도 현상을 규명할 실마리가 발견됐다. 고체 물질 속 '암흑 전자' 존재가 세계 최초로 밝혀지면서 고온초전도를 비롯한 양자현상 규명 단서가 제공될 전망이다.
과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 암흑 전자 존재를 규명했다고 29일 밝혔다.
자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 암흑 상태가 존재하며, 여러 자연 현상에 영향을 준다. 지금까지 발견된 암흑 상태 전자는 원자나 분자에 존재했는데, 그동안 수많은 연구자는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다.
연구팀은 같은 종류 원자가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구하던 중 이를 두 쌍으로 확장하면 어떤 조건에서도 관측할 수 없는 암흑 상태 전자가 존재할 것으로 추측했다.
이후 4년 동안 연구하면서 전자 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안했고, 방사광가속기를 활용해 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀내는 데 성공했다. 이는 고체 물질 속에서도 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 규명한 세계 최초 결과다.
또 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자 독특한 배열에 있음을 밝혔다.
고체 물질 원자들은 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류 원자 4개가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우 전자 간 상쇄간섭이 발생해 어떠한 측정 조건(빛 에너지, 편광, 입사 방향 등)으로도 관측할 수 없는 암흑 상태 전자가 형성됨을 확인했다.
김근수 교수는 “고체 속 암흑 전자 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”며 “이번 성과를 바탕으로 현대 물리학 오랜 난제인 고온초전도 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 말했다.
한편 이번 연구성과는 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
