노벨상 수상자가 예측한‘액체 금속의 전자 구조’, 한국 실험 물리학자들이 발견, 네이처(Nature)지 게재 - 고온초전도 현상에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대 - |
□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)는 김근수 교수(연세대) 연구팀이 노벨물리학상 수상자 필립 앤더슨과 네빌 모트 등이 1960년대 이론 모델로 예측한 ‘액체 금속의 전자 구조*’를 실험적으로 확인했다고 밝혔다.
* 전자 구조 : 물질 속 전자 파동의 에너지와 운동량(파수)의 상관관계를 의미하며, 전자 구조를 바탕으로 물질의 전기적, 광학적 특성을 설명한다.
ㅇ 과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터 등)의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 네이처(Nature)에 8월 5일 00시(한국시간) 게재되었다.
□ 배열이 규칙적인 고체금속은 전자구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있지만, 수은과 같은 액체금속은 자유자재로 형태를 바꿀 수 있어 그 전자구조를 설명하는 것이 매우 까다롭다.
ㅇ ‘액체 금속의 전자구조’는 노벨물리학상 수상자인 필립엔더슨과 네빌모트가 1960년 이론 모델은 고안했지만, 지난 반세기 동안 실험적으로 발견된 적은 없었다.
□ 김근수 교수 연구팀은 액체금속을 직접 측정하는 과거의 방식과는 달리, 결정고체 위에 알카리 금속을 분사하여 그 사이에 계면을 관측하는 독특한 방식으로 액체금속의 전자구조를 확인하는 데 성공했다.
ㅇ 연구팀은 검은인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려주었고,
- 알카리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비를 이용해 측정한 결과, 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 ‘유사갭*’을 발견하였다.
* 유사갭(pseudogap) : 물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 경우 양자역학적 효과로 인해 전자는 완전한 에너지 간극을 갖는다. 반면 원자들이 불규칙하게 배열된 경우 전자는 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는 데, 1968년 네빌 모트는 이 현상을 ‘유사갭’이라 명명하였다.
- 결정고체인 검은 인의 전자들이 불규칙하게 분포된 알카리 금속의 원자들에 의해 공명산란* 되어 ‘액체금속의 전자구조’와 같은 특징을 갖는 것이다.
* 공명 산란(resonance scattering) : 물질 속 전자 파동이 특정 주파수를 가질 때 이종 원자들과 충돌할 확률이 비약적으로 상승하는 현상.□ 이번 연구를 통해 ‘유사갭’을 설명할 수 있게 되면, 응집물리학의 풀리지 않는 난제 중 하나인 고온 초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것이라 기대된다.
ㅇ 만약 고온초전도 현상의 매커니즘을 규명해 상온 초전도 개발에 성공한다면 에너지 손실 없는 전력 수송이 가능해 자기부상열차, 전력수급난 해결, MRI와 같은 의료용 진단기기에도 혁신을 가져올 것이다.
ㅇ 연구책임자인 김근수 교수는 “불규칙하게 배열된 이종 원자들과의 충돌 효과로 유사갭을 설명할 수 있다,”며, “고온초전도 현상을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것”이라고 의의를 밝혔다.
