액체금속 전자구조, 한국 연구진이 발견했다...고온 초전도 현상 규명될까

노현주 기자 / 기사승인 : 2021-08-05 13:45:47
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[일요주간 = 노현주 기자] 노벨상 수상자가 예측한 ‘액체 금속의 전자 구조’를 한국의 실험 물리학자들이 발견했다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수 연구팀이 노벨물리학상 수상자 필립 앤더슨과 네빌 모트 등이 1960년대 이론 모델로 예측한 ‘액체 금속의 전자 구조’를 실험적으로 확인했다고 5일 밝혔다.

전자 구조는 물질 속 전자 파동의 에너지와 운동량(파수)의 상관관계를 의미한다. 전자 구조를 바탕으로 물질의 전기적, 광학적 특성을 설명한다. 

 

▲ 액체 금속의 전자 구조가 발견된 결정 고체와 액체금속의 계면. (사진=과학기술정보통신부)

연구팀에 따르면 배열이 규칙적인 고체금속은 전자구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있지만, 수은과 같은 액체금속은 자유자재로 형태를 바꿀 수 있어 그 전자구조를 설명하는 것은 까다롭다.

액체 금속의 전자구조는 노벨물리학상 수상자인 필립엔더슨과 네빌모트가 1960년 이론 모델은 고안했지만, 지난 반세기 동안 실험적으로 발견된 적은 없었다.

연구팀은 액체금속을 직접 측정하는 과거 방식과는 달리 결정고체 위에 알칼리 금속을 분사해 그 사이에 계면을 관측하는 독특한 방식으로 액체금속의 전자구조를 확인하는 데 성공했다.

연구팀은 검은인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알칼리 금속(나트륨·칼륨·루비듐·세슘)을 뿌려주었고, 알칼리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비로 측정한 결과, 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측한 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 유사갭을 발견했다.

유사갭은 물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 경우 양자역학적 효과로 인해 전자는 완전한 에너지 간극을 갖는다. 그러나 원자들이 불규칙하게 배열되면 전자는 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는 데 1968년 네빌 모트는 이 현상을 ‘유사갭’이라 명명했다.

결정고체인 검은 인의 전자들이 불규칙하게 분포된 알칼리 금속의 원자들에 의해 공명 산란돼 액체금속의 전자구조와 같은 특징을 갖는다.

공명산란은 물질 속 전자 파동이 특정 주파수를 가질 때 이종 원자들과 충돌할 확률이 비약적으로 상승하는 현상이다.

연구팀은 “이번 연구를 통해 유사갭을 설명할 수 있게 되면 응집물리학의 풀리지 않는 난제 중 하나인 고온 초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것”이라고 기대했다.

이어 “만약 고온초전도 현상의 메커니즘을 규명해 상온 초전도 개발에 성공하면 에너지 손실 없는 전력 수송이 가능해 자기부상열차, 전력수급난 해결, MRI와 같은 의료용 진단 기기에도 혁신을 가져올 것”이라고 했다.

연구책임자인 김근수 교수는 “불규칙하게 배열된 이종 원자들과의 충돌 효과로 유사갭을 설명할 수 있다”며 “고온초전도 현상을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것”이라고 말했다.

과기정통부 기초연구사업(중견연구·선도연구센터 등)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처(Nature)에 5일 게재됐다.

 

 

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