고체 속 ‘암흑 전자’ 세계 최초 규명…“초전도 연구에 응용”

김근수 교수팀, 네이처 피직스 발표

빛으로 관측 불가능한 물질 암흑 상태

고체 내부서 발견해 양자 연구에 기여

국내 연구진이 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 세계 최초로 밝혀냈다. 이번 발견이 그동안 암흑 전자를 고려하지 않고서는 설명할 수 없었던 다양한 양자 현상과 초전도 연구에 새로운 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

고체 물질 속 암흑 전자. 사진 제공=과학기술정보통신부

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수 연구팀이 미국, 영국, 캐나다와의 국제 공동 연구를 통해 세계 최초로 고체 물질 속 암흑 전자의 존재를 규명했다고 29일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 피직스’에 이날 게재됐다.

물질의 상태 중 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 암흑 상태가 있다. 암흑 상태 규명은 그동안 설명하지 못했던 자연현상을 연구하는 데 필요하다. 지금까지는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속의 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨져왔다.



연구팀은 같은 종류의 원자가 한 쌍의 대칭을 이룰 때 발생하는 ‘양자 간섭’이라는 현상을 연구하던 중 이를 두 쌍으로 확장하면 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 수 있을 것이라는 추측을 내놨다. 방사광가속기를 활용한 4년 간의 ㅇ녀구를 통해 실제로 암흑 전자의 존재를 규명했다. 같은 종륭의 원자 4개가 두 쌍식 짝을 지어 대칭을 이룰 경우 전자 간 상쇄 간섭이라는 현상이 발생해 어떤 빛의 조건으로도 관측할 수 없는 암흑 상태가 된다는 것이다.

연구팀은 이를 바탕으로 그동안 설명되지 않았던 다양한 물질 현상 연구에 나설 방침이다. 김 교수는 “고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자 현상을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”며 “현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 말했다.