![[사이언스임팩트(22)]초전도체·초유체 비밀 풀 '히든카드' 한국이 먼저 찾았다](https://idailynews.news.fitplay.kr/media/remote?u=aHR0cHM6Ly9jZG4uaWRhaWx5bmV3cy5jby5rci9uZXdzL3RodW1ibmFpbC8yMDI0MTAvMTAzNTI1XzM0ODE3XzU4NTBfdjE1MC5qcGc&s=cd04978a145f50cdfc2a8f18ea5b8fe3)
고체 물질 속 전자가 액체와 고체 특징을 모두 가지고 있는 '전자결정' 상태로 존재한다는 것을 국내 연구팀이 세계 최초로 발견했다.
이론 속에만 존재했던 전자결정을 첫 관측한 것으로, 향후 고온 초전도체와 초유체 현상의 비밀이 풀 수 있는 히든카드를 찾은 셈이다.
초전도체 연구가 획기적으로 진전될 것이란 기대감에 17일 증시에서 초전도체테마주들이 급등세를 보이고 있다.
연세대 물리학과 김근수 교수 연구팀은 17일 국제학술지 '네이처'에 “액체와 고체의 특징을 동시에 갖는 전자 결정 조각을 세계 최초로 발견했다”고 발표했다.
고체 물질 속 원자는 규칙적 배열을 이뤄 움직일 수 없지만, 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있는 전자는 흐름을 통해 전류를 만들어낸다.
이들 전자는 기체 분자처럼 자유롭게 존재하지만 음의 전하를 띤 만큼 서로 밀어내는 힘에 따라 규칙적인 배열을 만들어 움직일 수 없는 전자결정 상태가 될 수 있다.
이는 1963년 노벨 물리학상을 받기도 한 헝가리 물리학자 유진 위그너가 1930년대 '위그너 결정'으로 처음 제안한 이론으로 이를 구체적으로 발견한 것은 김교수가 세계 최초다.
전자결정을 만들 수 있으면 영하 240도 이상 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질인 고온 초전도체나 극저온에서 점성이 사라지는 초유체 같은 물질의 실체가 밝힐 수 있다.
전자의 상호 작용이 물질의 저항이나 점성 같은 다양한 특성에 영향을 주는 만큼, 전자 간 상호작용을 이해하고 결정을 만들 수만 있으면 여러 난제들이 풀릴 수 있기 때문이다.
김 교수팀은 앞서 2021년 흑린에 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 액체 성질을 가진 전자 상태를 발견해 네이처에 발표한데 이어, 이번에 특정 도핑 농도에서 액체 성질뿐 아니라 고체 성질도 동시에 갖는 전자결정 상태가 존재하는 것을 처음 발견했다.
연세대 연구진은 흑린에 알칼리 금속인 나트륨과 칼륨, 루비듐, 세슘 등 4종을 각각 도핑한 물질에서 전자 결정 조각을 찾았다. 김 교수는 “흑린은 인으로 만들어진 2차원 물질이어서 매우 안정적”이라며 “물리학적 현상을 단순한 형태로 보여주는 일종의 모델 물질로 사용되고 있다”고 설명했다.
연구팀은 전자결정의 존재를 입증하기 위해 강한 빛을 쪼이는 방사광가속기와 빛을 물체에 쪼이면 나오는 광전자의 정보를 분석하는 각분해광전자분광장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했다.
그 결과 기체나 고체일 경우 규칙성이 관측되는 것과 달리 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 에너지와 운동량 관계에서 관측하면서 전자결정의 존재를 입증했다고 김 교수는 설명했다. 조각의 크기는 1~2나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준이다.
김 교수는 "학계에서는 전자의 규칙적 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔는데, 우리가 제3의 상태를 인식하게 된 것"이라며 결정의 특성을 이해하면 초전도체나 초유체의 특성을 이해하는 길로 나아갈 것으로 기대했다.
김 교수는 특히 "초전도체를 찾을 때 새 물질을 만들어 특성을 찾는 방법도 있지만, 무엇이 초전도 임계 온도를 높일 수 있는지 찾으면 물질 설계 가능성이 열린다"며 "전자결정 개념으로 고온 초전도 원리를 이해할 수 있다면 임계 온도 상승으로 이어질 수 있다"고 설명했다.
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