반세기 난제 '액체금속 전자구조', 韓 연구진이 입증

[서울=뉴시스] 이진영 기자 = 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.

과기부 기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 세계 유명 국제학술지 네이처지에 한국시각으로 5일 0시에 게재됐다.

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

전자구조란 물질 속 전자 파동의 에너지와 운동량(파수)의 상관관계를 의미하며, 전자구조를 바탕으로 물질의 전기적, 광학적 특성을 설명한다.

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

김근수 교수 연구팀은 액체금속을 직접 측정하는 과거의 방식과 달리, 결정고체 위에 알카리 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 검은인의 전자구조를 장비를 이용해 측정한 결과 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 '유사갭'을 발견했다.

유사갭은 물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 경우 양자역학적 효과로 인해 전자는 완전한 에너지 간극을 갖는다. 반면 원자들이 불규칙하게 배열된 경우 전자는 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는데, 1968년 네빌 모트는 이 현상을 '유사갭'이라 명명했다.

이번 연구를 통해 유사갭을 설명할 수 있게 되면 고온초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것이라 기대된다.

응집물질물리학의 풀리지 않은 난제 중 하나인 고온초전도 현상은 주로 결정 고체에 불규칙하게 배열된 이종 원자를 도핑할 때 나타난다. 그 전자구조에 원인을 알 수 없던 ‘유사갭’이 발견되었기 때문에, 이 유사갭의 원리를 이해하면 고온초전도의 비밀을 풀 수 있을 것이라 기대를 모았다.

이번 기초과학 연구 성과는 비록 실용화에 오랜 시간이 걸리지만 그 파급 효과의 범위가 매우 넓다는 설명이다.

이번 연구 결과를 통해 고온초전도 현상의 메커니즘을 규명해 상온초전도 개발에 성공한다면, 에너지 손실 없는 전력 수송을 가능케 해 요즘과 같이 무더운 여름철 전력 수급난을 해결할 수 있다.

뿐만 아니라 자기 부상 열차와 같이 운송 기술과 자기공명영상법(MRI) 등과 같은 의료용 진단기기에도 혁신을 가져올 것으로 관측된다.

김근수 교수는 "기초과학 불모지인 한국에서 네이처지나 사이언스지와 같은 저명 학술지에 논문을 제출하면 심사 과정에서 의심 어린 눈초리를 받는 경우가 허다하다"며 "연구과정에서 이러한 편견을 극복하는 과정이 가장 어려웠지만 논리와 투지로 극복해냈다"라고 말했다.


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