김근수 교수팀, 세계 최초로 물질 속에서 액체와 고체의 특성을 모두 갖는 전자결정 조각 발견
새로운 전자결정 상태 발견, 고온초전도체·초유체 등 물리학 난제 해결의 실마리 제시
2021년에 이어 후속 연구로 「네이처(Nature)」게재
[사진 1. (왼쪽부터) 김근수 교수, 박수빈 석박사통합과정생]
물리학과 김근수 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 ‘전자결정’ 조각을 발견했다. 이는 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체 및 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
고체 물질 속에서 원자는 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 반면, 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전압을 걸어 전자들의 흐름을 만들어 주면 전류가 발생한다.
노벨 물리학상 수상자 유진 위그너는 1930년대 전자들이 서로 밀어내는 힘을 고려해, 전자들이 규칙적 배열을 이루어 움직일 수 없는 전자결정 상태를 제안했다.
[그림 1. 고체 물질 속 전자결정 조각들을 형상화한 그림]
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.
연구팀은 지난 2021년 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견해, 이 역시 「네이처(Nature)」에 게재된 바 있다.
연구팀은 여기서 그치지 않고 도핑 농도를 조절하는 등 후속 연구를 지속적으로 수행한 결과, 특정 도핑 농도에서 액체의 성질뿐만 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 전자결정 조각을 발견했다.
연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용하여 고체 물질에 도핑된 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정한 결과, 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공했다.
[그림 2. 전자결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터]
전자들의 규칙적인 배열이 있는 경우를 고체 상태, 규칙적인 배열이 없는 경우를 기체 상태에 비유한다면, 규칙적인 배열이 짧은 거리에만 있는 전자결정 조각들을 액체결정(액정) 상태에 비유할 수 있다. 이번 연구는 마치 액체결정 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과이며, 관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과도 유사하다.
김근수 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 되었다는 점에 연구의 의의가 있다.”고 밝혔다.
한편 과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처(Nature)」에 10월 17일(현지시간 10.16.(수) 16시, GMT) 게재됐다.
논문정보
● 논문 제목: Electronic rotons and Wigner crystallites in a two-dimensional dipole liquid
