과기정통부 지원 연구팀, 세계 최초 ‘암흑 전자’ 존재 규명

세계 최초로 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 규명한 김근수 연세대 교수..과기정통부

우리나라 대학 연구팀이 국제 공동연구를 통해 세계 최초로 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 규명했다.

29일 과학기술정보통신부에 따르면 과기정통부의 기초연구사업(글로벌 리더연구) 지원을 받은 김근수 연세대 교수 연구팀이 미국·영국·캐나다와의 국제 공동연구를 통해 ‘암흑 전자’의 존재를 규명했으며, 이번 연구 성과가 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 29일(현지시간) 게재됐다.

김 교수는 “자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 암흑 상태가 존재한다”며 “이는 다양한 자연 현상에 영향을 주기 때문에 확인되지 않은 암흑 상태의 존재 규명은 인류가 아직 정복하지 못한 여러 난제 해결의 실마리를 제시할 수 있어 연구를 시작했다”고 설명했다.

지금까지 발견된 암흑 상태의 전자는 원자나 분자에 존재했고, 수많은 연구자는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속의 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다는 것이 김 교수의 설명이다.

김 교수 연구팀은 같은 종류의 원자가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구하던 중, 이를 두 쌍으로 확장하면 어떤 조건에서도 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 것으로 추측했다.

이후 4년 동안 꾸준히 연구하면서 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안, 방사광가속기를 활용해 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀내는 데 성공했다. 또 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있음을 밝혔다.

고체 물질의 원자들은 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류의 원자 4개가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우, 전자 간 상쇄간섭이 발생해 어떠한 측정 조건(빛 에너지, 편광, 입사 방향 등)으로도 관측할 수 없는 암흑 상태의 전자가 형성됨을 확인했다.

김 교수 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획이다.

김 교수는 “고온초전도 메커니즘을 정복하면 초전도 임계 온도를 끌어올릴 수 있도록 물질을 설계할 수 있다”며 “실용화된다면 손실 없는 에너지, 뜨거워지지 않는 전자기기(컴퓨터, 휴대폰, 태플릿), 저렴한 운송기술(자기부상 열차), 저렴한 의료용 진단기술(MRI) 등 우리 삶에 혁명적 변화를 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

김근수 연세대 교수가 세계 최초로 규명한 ‘암흑 전자’의 고체 물질 속 전자 파동의 광명 상태와 암흑 상태 설명도./과기정통부