국내 연구팀, 세계 최초로 고체물질 속 '암흑전자' 규명

고온초전도체 구리산화물 속 관측불가 전자
미·영 방사광가속기 활용 암흑 상태 규명
고온초전도체 메커니즘 정복 실마리 될 듯

세계 최초로 고체 물질 속 암흑 전자의 존재를 규명한 논문을 29일 네이처피직스에 게재한 김근수(가운데) 연세대 물리학과 교수 연구팀의 모습. 김근수 교수 제공

국내 연구진이 고체 물질 속에 빛으로 관측할 수 없는 '암흑 전자'가 존재한다는 사실을 세계 최초로 규명해냈다. 이번 연구 결과로 고온초전도체 현상과 관련해 수십 년간 풀리지 않았던 의문이 해소돼 자기부상열차와 자기공명영상(MRI)의 기술 진보는 물론 ‘인공태양’이라 불리는 핵융합발전까지 향후 실현될 가능성이 높아졌다는 분석이다.

과학기술정보통신부는 연세대 물리학과 김근수 교수 연구팀이 국제 공동연구(미국ㆍ영국ㆍ캐나다)를 통해 고체 물질 속에서 ‘암흑 전자’의 존재를 세계 최초로 규명했다고 29일 밝혔다. 과기정통부의 기초연구사업 지원을 통해 성과를 거둔 이번 연구는 이날 국제학술지 ‘네이처피직스(Nature Physics)’에 게재됐다.

자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 직접 관측하는 게 불가능한 '암흑 상태'가 존재한다. 특히 학계에선 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속에선 전자가 암흑 상태로 존재하는 게 불가능하다고 여겨왔다. 고체 물질 속에는 매우 작은 단위의 전자들이 서로 영향을 주기에, 이 중 일부 전자만 빛 관측이 불가능한 암흑 전자 상태로 놓이진 않을 거라는 추측이었다.

그러나 국내 연구팀은 동일한 종류의 원자가 대칭을 이루는 양자 간섭 현상을 연구하면서, 두 쌍으로 확장된 상태에서 암흑 전자가 존재할 수 있다는 가설을 세웠다. 예를 들어 고체 물질 속에 원자가 4개 존재하고 두 쌍씩 짝을 짓게 되는 과정 속에서 전자 파동의 상쇄 간섭이 발생, 마치 밝은 무늬와 검은 무늬가 번갈아 나타나는 것과 같은 관측할 수 없는 암흑 전자가 형성될 거라는 추정이었다.

연구팀은 이를 증명하려 지난 4년간 전자의 암흑 상태를 설명해내기 위한 모델을 고안, 결국 미국ㆍ영국의 첨단 방사광가속기를 활용한 실험을 통해 고온초전도체인 구리산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당한다는 사실을 증명해냈다.

학계에선 이번 연구 성과가 고온초전도 메커니즘을 규명해내는 실마리가 됐다는 평가다. 고온초전도체 구리산화물의 전자를 관측할 때 일부 전자가 보이지 않는 현상은, 지난 40년간 풀리지 않는 의문이었다. 초전도는 섭씨 영하 240도 이하 극저온에서 물질의 저항이 사라지는 현상으로, 이보다 높은 온도에서 초전도가 나타나는 현상에 대해선 ‘고온초전도’라고 부른다.

이번 연구 결과를 바탕으로 고온초전도체를 실생활에 구현해낼 경우 전력 손실이 없는 송전설비를 만들거나, 지금보다 저렴하게 자기부상열차나 자기공명영상(MRI)을 이용하는 게 가능해질 걸로 보인다. 김근수 교수는 “고체 물질 속 암흑 전자의 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어, 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 단서를 제공하는 것”이라며 “현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 말했다.

세계 최초로 고체 물질 속 암흑 전자의 존재를 규명한 김근수 연세대 물리학과 교수 연구팀의 논문이 29일 네이처피직스에 게재됐다. 왼쪽부터 교신저자인 김근수 교수, 제1저자인 정윤아 김민수 김예린 연구원. 과학기술정보통신부 제공

신혜정 기자 arete@hankookilbo.com